疫情加速四大應用領域電源技術革新

作者 : Nicolas Richard、Lev Slutskiy、Teo DeLellis與Henryk Dabrowski,Vicor

疫情加速推動了電源技術創新。本文將分別針對車用、高性能運算(HPC)、航太與國防,以及機器人四大應用領域的PDN發展趨勢提供相關見解。

新冠病毒疫情改變了大眾的習慣以及對事情的優先順序,也加速推動了創新。例如在電源技術領域,現有趨勢是加速並更積極推動高效率、小巧、模組化的供電網路(PDN)應用與發展。本文將分別針對車用、高性能運算(HPC)、航太與國防,以及機器人四大應用領域的PDN發展趨勢提供相關見解。

車用領域

在車用領域,疫情加速了朝向電動車(EV)和48V系統的轉移。交通運輸是受到全球疫情影響最嚴重的領域之一,通勤以及長途旅行的人越來越少;車輛產業銷售量下滑的情況持續到2021 年。對此,製造商的因應之道是更關注成長的細分市場,特別是電動車;在減少傳統汽車開發的同時,他們正朝著開發具備競爭優勢的電動車前進。

由於通勤者越來越少──調查顯示,基於防疫,人們認為自己開車會比搭乘大眾交通工具來得安全──我們認為這將加速帶動市場對於具成本效益之電動車的需求,因此隨著越來越多對電動車開發的投資,以48V PDN替代12V PDN的趨勢將明顯加快。

在2021 年,隨著製造商增加主動式懸吊(active suspension)、後輪轉向(rear wheel steering)或防側擺穩定(antiroll stabilization)等系統,將出現更明顯轉向48V電控系統的趨勢,特別是在輕混合動力車輛(HEV);為支援此一趨勢,需要更多48V系統轉降12V系統,以支援車輛安全性、舒適性以及資通訊娛樂系統、導航系統。

除了實現更輕的纜線、提供更高的功率,在將電壓提升到48V以減少所需的降壓時,HEV和 EV中的高壓電池會需要更高的轉換效率。此外,用於為EV和HEV供電的主電池電壓也將增加,800V電壓將變得越來越普遍,以縮短充電時間。這些變化需要一種新型電源元件,替未來的車輛建構供電網路。

圖1:Vicor的NBM6123電壓轉換器模組,採用63x23mm CM-ChiP封裝,提供可擴充的6.4kW  800V- 400V雙向DC/DC轉換。

圖1:Vicor的NBM6123電壓轉換器模組,採用63x23mm CM-ChiP封裝,提供可擴充的6.4kW  800V- 400V雙向DC/DC轉換。

而隨著400V和800V電動車充電站的部署,車輛與充電站的相容性需要在這兩種電壓之間進行簡單而高效的轉換。例如Vicor開發的轉換器模組(參考圖1),可提供6kW的400V及800V固定比率轉換,從而為電池與充電站的相容實現高效率、高密度的可擴充解決方案,其雙向功能允許使用相同的模組執行升降壓轉換,此外還能在800V充電過程中為空調和車內電子裝置提供400V電源,從而以最大限度減少電池平衡電路。

全新48V供電網路需要支援舊有的12V負載,以及全新驅動器、轉向以及線控煞車等大功率系統。隨著負載的增加,在48V下提供更大的電源,需要高密度模組,而不是更笨重的離散式解決方案。以Vicor提供的幾款48V供電模組為例,這些方案包括固定比率及穩壓轉換器解決方案,支援48V和12V負載。

這些轉換器可部署在單一機殼中,也可部署在採用更小、更輕48V配電網路的車輛中。DCM 和PRM模組分別提供48V至12V穩壓輸出和48V至48V 穩壓輸出。NBM則可提供48V至12V,或12V至48V雙向固定比率轉換。

HPC領域

對資料中心的容量需求預期將超越實體設備空間。資料中心已經在快速成長,疫情又更進一步加速了對資料中心的需求,超越先前的預測;即使疫情逐漸退散,預期對資料中心的需求仍將繼續長期成長。

越來越多人在家辦公、越來越多學生在家上課,由於在戶外的休閒活動時間變少,也越來越多人宅在家看串流影片、玩線上遊戲。我們已經體認到,使用者是如何嚴重依賴實現目前電信基礎設施的資料中心城市骨幹網路。

在2021 年,對資料中心更高電源效率的追求將加快,我們認為資料中心業者不只將採購比往年更多的可再生能源,也預期有更多資料中心將從交流電(AC)基礎設施解決方案轉向直流電(DC)基礎設施,以更妥善因應高性能運算電源需求的大幅成長。

這種快速增加、無預警加速的需求,超出了廠商擴充資料中心實體容量的能力;因此,資料中心營運商需要在現有的機架空間中增加更多的容量。這對供電影響很大。能夠以優異的散熱管理,在相同的機架空間內更有效率地供電,比以往任何時候都重要。

人工智慧、雲端運算和大數據都在推動對更高處理能力的需求,從而導致更高能耗和更大電流,這反過來又會帶來因電源轉換和變壓過程造成的更大電力損耗。資料中心電源創新的第三個重大變革將是機櫃和機架層面的供電和電源效率,以達到實現雲端運算、人工智慧和大數據應用所需的更高運算能力(達到數exa-FLOPS等級)。

一種管理電源的更高效率方法,是提升這些系統內的電壓,在AC整流後或直接從可再生能源電源使用DC。將高壓(通常是260 ~410V DC)轉換為現代運算裝置的輸入電壓值(12V或更好的48V)之任務,可由匯流排轉換器(bus converters)來執行。

我們認為,系統設計工程師將更多採用諸如分比式電源架構(Factorized Power Architectures,FPA) 、高效率轉換器模組等創新架構解決方案,來縮短大電流供電器模組與負載點(PoL)之間的距離,以便在未來的超級電腦運算應用中降低PDN電阻,從而最大限度降低功耗。幾家大型HPC產品製造商,例如最近在「Green 500」電腦排行榜名列第1、第3、第4和第5的Nvidia,實際上已經採用這種方法讓資料中心「從裡到外」都環保。

圖2:分比式電源穩壓和變壓階段。

 

軍事與航太領域

在軍事、航太/國防運用領域,Vicor預期在2021年驅動技術變革的三大動力,將是疫情、超音速導彈(hypersonic missiles)和不對稱作戰(asymmetric warfare)。

為了對抗新冠病毒疫情所需的大筆投資,世界各國政府不得不重新安排並改變預算支出優先順序,以協助社區、企業和公民因應疫情帶來的衝擊。根據一項在2020年6月進行的研究,北大西洋公約組織(NATO)的幾個歐洲「大戶」,在國防支出方面都有所減少。

在2021年,各國政府都面臨巨大的財政壓力,需要將資金從國防等傳統預算中轉移出來,才能支持國民經濟、社會福利,以及其他重要的工作。然而這種轉移在許多層面上,與不斷升高的民族主義地緣政治壓力相互矛盾。例如瑞典因為與俄羅斯之間日益緊繃的關係,反而決定提高40%的軍事支出。

我們認為,技術和創新將會彌補這些矛盾壓力之間的不足,讓政府不但能以更少的資源做更多事,同時還能以最新數位技術維持軍事戰備。例如在美國,來自俄羅斯和中國的超音速導彈威脅使導彈防禦及進攻性導彈計畫,進入更高速的發展階段,這將使得最初預設在5年後進行的創新得在今年就發生。

圖3:Vicor的DCM5614隔離式穩壓直流轉換器,適合航太國防應用。

圖3:Vicor的DCM5614隔離式穩壓直流轉換器,適合航太國防應用。

不對稱作戰也成為推動2021 年變革的重要力量,因為「無人機群」攻擊場景會使高價值目標受到低價值無人機的威脅;而以一枚價值10萬美元的導彈,去摧毀一架僅1,000美元的無人機是不可承受的。這將推動技術演進,例如在國防系統導入更多人工智慧(AI),以及部署雷射等武器,以更有效率地因應無人機群的崛起。無人機技術將繼續主宰地形偵察應用領域,因為其電源技術的演進,有助於擴大執行任務的半徑和續航力。

機器人領域

Vicor預測,2021年歐洲無人機和機器人在公眾場合出現的次數將達到 7.47 億次。因為防疫,到2021年底,歐洲每一位公民至少都會看到一次送貨機器人或無人機投遞包裹,或對公共場所進行消毒。此外,機器人技術領域將出現大幅度的創新加速,因為各家企業希望透過機器人與客戶安全接觸,在不讓大眾有機會暴露於病毒的情況下執行任務。

為滿足需求,機器人開發人員需要利用現有的設計,將其視為一個平台,而非試圖從零開始開發全新的機器人。擴充平台就必須擴充電源,以滿足不同尺寸、不同功能的機器人需求。可擴充的模組化供電方案是因應此一挑戰的關鍵。

擴大自動配送服務範圍的一個關鍵因素,是機器人或無人機的工作範圍和重量;Vicor能協助設計人員減輕無人機重量以提高性能,還能提供讓無人機飛得更可靠、更遠的電源管理方案。

圖4:可用於無人機/機器人模組化電源的ZVS降壓穩壓器。

圖4:可用於無人機/機器人模組化電源的ZVS降壓穩壓器。

預期在人口較稠密的歐洲城市,機器人數量會比無人機多;至於在像是阿爾卑斯山脈等較偏遠的地區,則會有更多無人機幫助因應危機事件、運送重大醫療物資。而較重貨物的運送則將由自動駕駛卡車提供支援。

在歐洲,Tescos、Amazon、DHL與UPS等物流業者都已展開無人機送貨試驗,我們把最近的疫情視為推動零售業朝向全面數位化轉型的轉捩點。人們已經在封城期間習慣了送貨上門的便利,這意味著親自到最愛商店、超市購物的人流將難以回歸疫情前水準。

在大街上使用機器人送貨,在空中使用無人機送貨,將有助於零售業者顯著降低送貨成本。例如在中國,無人機已經開始被應用於在偏遠地區運送貨物;我們發現,隨著物流業者取得國家飛航主管機關許可,得以透過無人機提供零售空運服務,此趨勢正在加速發展。

本文由Vicor供稿,並同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年6月號

 

 

 

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