Las pérdidas siempre son importantes
El diseño electrónico está lleno de fórmulas (por ejemplo, la eficiencia es igual a la potencia de salida dividida por la de entrada, como porcentaje, o las pérdidas son iguales a la potencia de entrada menos la de salida).
Sin embargo, para que estas fórmulas aporten algo realmente significativo, debemos tener en cuenta también el contexto, como los niveles de potencia o las condiciones ambientales y de funcionamiento.
Los fabricantes de fuentes de alimentación, incluso con una fórmula definida, pueden seleccionar las mejores condiciones para que la eficiencia parezca mejor de lo que sería en condiciones reales.
La eficiencia se suele especificar en condiciones cercanas a carga completa, pero hay pocos sistemas (sobre todo, en aplicaciones redundantes) que funcionen a este nivel durante algún periodo de tiempo. Cuando el sistema no se encuentra en esta zona óptima, la eficiencia puede ser mucho más baja. Por lo general, la eficiencia bajará considerablemente a medida que se reduce la carga, lo que ocurre de un modo diferente en cada fuente de alimentación. Así que la energía consumida cuando un servidor está en reposo puede ser muy diferente (una o varias órdenes de magnitud).
En la imagen 1, con una carga del 5 %, el convertidor representado por la línea azul disipa más de tres veces más rápido que el representado por la línea naranja. Las pérdidas por carga ligera deberían ser lo más importante al elegir el sistema, ya que contribuyen enormemente al consumo total de energía.
A fin de valorar en su justa medida la importancia de la eficiencia con carga baja, se han desarrollado normativas, como la iniciativa «80 PLUS» (tabla 1), para estipular el nivel mínimo de eficiencias en todo un rango de cargas. 80 PLUS Titán es la especificación más exigente, y requiere una eficiencia de, al menos, el 94 % con la carga al 50 %, y una eficiencia del 90 % con la carga al 10 % (en un sistema de 115 V). Para un sistema de 230 V, el requisito al 50 % de la carga sería del 96 % (90 % con una carga al 10 %).
Tabla 1: resumen de los requisitos 80 PLUS para sistemas de 115 V (fuente: Mouser)
| Certificado 80 PLUS | 115 V interno, no redundante | 115 V industrial | ||||||
| % de carga nominal | 10 % | 20 % | 50 % | 100 % | 10 % | 20 % | 50 % | 100 % |
| 80 PLUS | — | 80 % | 80 % | 80 %/PFC 0,9 | — | |||
| 80 PLUS Bronce | —- | 82 % | 85 %/PFC 0,9 | 82 % | — | |||
| 80 PLUS Plata | — | 85 % | 88 %/PFC 0,9 | 85 % | 80 % | 85 %/PFC 0,9 | 88 % | 85 % |
| 80 PLUS Oro | — | 87 % | 90 %/PFC 0,9 | 87 % | 82 % | 87 %/PFC 0,9 | 90 % | 87 % |
| 80 PLUS Platino | — | 90 % | 92 %/PFC 0,95 | 89 % | 85 % | 90 %/PFC 0,95 | 92 % | 90 % |
| 80 PLUS Titanio | 90 % | 92 %/PFC 0,95 | 94 % | 90 % | — | |||
Cumplir con los requisitos 80 PLUS resulta complicado, sobre todo en los niveles más altos que se introdujeron después del nacimiento del sistema de certificación, en 2004. EL nivel básico es un 80 % de eficiencia con la carga al 50 % y el nivel Titanio (94 %) implica reducir las pérdidas en tres cuartas partes.
Esto supone un aumento de eficiencia del 14 %, pero un convertidor de potencia de 1 kW tendría que reducir las pérdidas de 250 a 64 W. Es evidente que esto no se puede lograr con pequeños cambios en la topología o el diseño, así que la industria ha respondido al reto con métodos innovadores. Por ejemplo, se han sustituido los diodos por MOSFET de funcionamiento síncrono. Además, se han introducido topologías resonantes PSFB y LLC para limitar las pérdidas por conmutación y se están usando nuevos materiales WBG para que haya menos pérdidas al aumentar la frecuencia de conmutación.
Muchos conversores precisan de dos etapas (por ejemplo, corrección de factor de potencia, o CFP, y CC/CC), así que la eficiencia en cada etapa debe ser aún mayor. En el puente rectificador de entrada, los cuatro diodos se han reemplazado por una red de MOSFET que mejoran la eficiencia de la etapa CFP.
Todas estas tecnologías son nuevas, así que pueden ser caras; además, siempre hay cierto riesgo cuando usamos algo que aún no se ha probado durante años en condiciones reales. Sin embargo, la demanda de cifras de eficiencia cada vez más altas es imparable, hasta llegar al 99 % o más.
