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  • 如何提高系統功率密度

    發布時間:2022-5-6 11:30    發布者:eechina
    關鍵詞: 功率密度
    來源:貿澤電子
    作者:Doctor M

    消費電子的小型化、一體化,汽車和工業設備的智能化,幾乎都是各行業不可逆的發展趨勢。在這樣的大趨勢下,系統設計面臨著一個共同的難題:如何在有限的空間內實現更高的功率?

    毫無疑問,對于電源產品而言,不斷追求更高的功率密度和轉換效率是一個常講常新的話題,設計人員將持續在這方面埋首前行。今天,我們的話題也是圍繞功率密度展開,包括提升功率密度的挑戰和方法,以及貿澤電子在售的,能夠幫助系統方案提升功率密度的優秀元器件。

    提高功率密度的方法論

    要解釋何為功率密度其實并不復雜,通常我們會把它量化為單位體積內的功率量,如圖1所示,也就是器件的額定功率除以器件體積所得到的數值,單位為瓦/立方米(W/m3)或瓦/立方英寸(W/in3)。


    圖1:功率密度常用的表現形式(圖源:TI)

    很顯然,設計者的第一個想法會是通過縮小器件的體積來提升功率密度。要實現這一目標并不容易,無論是電源器件還是模塊方案,成熟設計中的部件都較為固定,且大都是必要的,同時散熱問題也不允許粗暴地將冷卻部件抹除,或者僅僅將部件拼湊在一起。

    雖然挑戰重重,不過近年來設計者們還是通過創新設計,在器件或者方案體積上面做足了文章,截止到目前,我們可以將這些創新歸類到三個更細分的方向上。首先是減少大尺寸電感器、大尺寸電容器的使用。在電源方案中,這些被動元件往往會占據很大的空間,是整體方案變大的主要因素之一。為了盡可能減小被動元件的影響,設計師們想到的方法是提升開關頻率以及拓撲創新等。其次是減少散熱部件的使用。事實證明更好的封裝形式和先進的引線框架能夠做到這一點。目前各大廠商都有自己拿手的、極具特色的封裝方式。第三個方向實際上更像是前面兩個方向的延伸,那就是集成,本質是讓更多的元件出現在一個封裝中,因此需要在系統設計和封裝上面同時想辦法。一個具有代表性的例子是將反饋電路集成到隔離式DC/DC器件的內部,讓這一局部方案的體積明顯變小。

    剛剛也講到了提升開關頻率這一點,它其實也關乎到提升功率密度的另一條路徑——以提升效率為主要手段讓器件的額定功率到達更高的水平。實際上,更高的開關頻率和更高的系統效率并不能畫等號,它們中間有一個關鍵的影響因素——開關損耗。

    如果設計者只是單純追求開關頻率的提高,確實能夠在輸出電感和寄生電容等方面嘗到甜頭,但是開關損耗也會通過系統功耗和散熱等問題帶來懲罰。這個時候,設計者們就需要更高效率的拓撲及控制方式。到了這個階段,設計者們往往就需要在效率、體積和開關頻率上面做平衡,比如設計者如果選擇了軟開關技術,那么就能夠實現很高的開關頻率,且開關損耗很低,但額外增加的無源器件便使得系統方案在體積上有所妥協。

    在功率器件領域,除了圍繞傳統硅器件本身做文章外,材料的創新有時也會帶來巨大的性能提升。比如,在談論功率密度時,GaN(氮化鎵)憑借零反向復原、低輸出電荷和高電壓轉換率等突出優勢,能夠幫助廠商大幅提升系統密度,而另一種主流的寬帶隙半導體材料SiC(碳化硅)也是提升功率密度的上佳選擇。

    高功率密度電源系統的理想之選

    上述我們談到了提升電源功率密度的重要性,并進一步解讀了提升功率密度會遇到的挑戰,以及目前比較主流的一些實現方式。接下來,我們來看一下貿澤電子在售的一些出色元器件,它們是怎樣幫助系統提升功率密度的?

    第一款器件為大家推薦來自制造商Vicor的一款非隔離式穩壓DC轉換器,貿澤電子上的制造商器件編號為DCM3717S60E14G5TN0。


    圖2:DCM3717非隔離式穩壓DC轉換器(圖源:Vicor)

    DCM3717非隔離式穩壓DC轉換器是一款48V至負載點穩壓DC轉換器,具有寬輸入范圍:40VDC至60VDC,和寬輸出范圍:10VDC至13.5VDC。憑借Vicor獲得專利的零電壓開關(ZVS)降壓-升壓穩壓器和正弦振幅轉換器(SAC),再輔助以SM-ChiP這種領先的封裝形式,DCM3717無論是器件本身,還是基于其打造的電源系統,都會是高功率密度的出色產品,適用于數據中心、高性能計算系統、汽車和工業市場。

    器件層面,如圖3所示,ZVS降壓-升壓穩壓器是DCM3717的第一級模塊。通過采用ZVS技術,DCM3717的開關頻率超過1MHz,持續運行功率可達750W(62.5A),瞬時峰值功率可達900W(75A),峰值效率為97%。


    圖3:DCM3717系統框圖(圖源:Vicor)

    為了盡可能地提供高效率,DCM3717中的ZVS升降壓級具有遲滯脈沖跳躍模式,在輕負載條件下,可以跳過開關周期,以顯著降低柵極驅動功率,并提高效率。同時,ZVS升降壓級還支持變頻操作,工作頻率可以根據需要從基本頻率降低,通過降低工作頻率或延長每個開關周期,從而保持高效率。DCM3717中的第二級,也就是電流倍增級也會響應這種變頻操作。

    通過圖4和圖5能夠看出,在VOUT=10.0V,溫度為25℃和100℃情況下,DCM3717都可以有97%峰值效率的高效表現。而在其他測試條件下,這種高效表現都得以延續。


    圖4:VOUT=10.0V,25℃下的效率表現(圖源:Vicor)


    圖5:VOUT=10.0V,100℃下的效率表現(圖源:Vicor)

    通常情況下,為實現高效率和高開關頻率,軟開關的使用一般會犧牲系統尺寸,而DCM3717作為一款緊湊的方案,37mm × 17mm × 7.4mm的封裝尺寸未見絲毫妥協。其中一部分功勞要給到SM-ChiP封裝,這種創新的封裝形式不僅讓ZVS和SAC帶來了出色的功率密度,同時也提供了靈活的散熱管理選項,頂側和底側熱阻非常低。

    方案層面,通過圖6和圖7可以非常直觀地感受到,由于器件本身的集成優勢,典型應用電路的外圍電路非常簡單,使客戶能夠達成以前無法實現的系統尺寸、重量和效率屬性,打造低成本、高效的電力系統解決方案。


    圖6:DCM3717單模塊典型應用電路(圖源:Vicor)


    圖7:DCM3717雙模塊典型應用電路(圖源:Vicor)

    這種創新的器件設計和封裝形式打破了數據中心領域的"功率密度悖論 (Power Density Paradox,PDP)"。此前部分企業在部署數據中心時,通過使用小尺寸、高密度的服務器和存儲產品追求更高的功率密度,然而密集緊湊的設備往往需要費用昂貴的冷卻設施才能正常工作,最終在成本和功耗方面都沒有得到實惠。

    而造成"功率密度悖論"的一個重要原因就是設備中的功率器件只單純地追求小,忽略了散熱這個大問題。而DCM3717在追求高效、集成的同時,提供了靈活的散熱管理選項,再加上SM-ChiP封裝本身的高散熱效率,可以幫助設計者輕松解決“功率密度悖論”。

    了解更多DCM3717信息,請點擊這里»

    高功率密度的SiC溝槽式MOSFET

    新材料也是廠商提升器件功率密度的一個重要手段。我們在技術創新的部分用GaN進行了舉例,大家可以借助英飛凌的IGO60R070D1AUMA1對此深入了解,感受產品的高功率密度表現,認識到該器件在貿澤電子上面的制造商器件編號也是IGO60R070D1AUMA1。

    而接下來,我們將通過英飛凌另一款器件來介紹,SiC技術同樣是一種提升器件功率密度的優質路線。圖8是一款英飛凌汽車用1200V SiC溝槽式MOSFET新品,貿澤電子的供應商器件編號為AIMW120R060M1HXKSA1。


    圖8:AIMW120R060M1HXKSA1(圖源:英飛凌)

    AIMW120R060M1HXKSA1專為滿足汽車行業對高效、可靠性、質量和性能的高要求而設計。與此同時,受益于英飛凌CoolSiC MOSFET技術,這款器件不僅本身具有更高的功率密度,同時在系統方案方面,能夠幫助方案符合新法規對電動汽車更高能效的要求。

    根據制造工藝的差異,SiC器件會有平面式和溝槽式兩種主流的方式。英飛凌CoolSiC MOSFET技術屬于后者,其優勢是更容易達到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。憑借在SiC超過20年的研發經驗,英飛凌CoolSiC MOSFET技術可以帶來出色的性能、可靠性和易用性。在此特別提一下英飛凌對于基準柵極閾值電壓VGS(th)的調整,為了防止器件出現"誤導通",英飛凌將VGS(th)重新設計在大于4V之上,從而降低了噪音帶來的“誤導通”。AIMW120R060M1HXKSA1的V為4.5V。

    綜合而言,AIMW120R060M1HXKSA1的產品優勢包括開關中的低柵極電荷和器件電容、反并聯二極管無反向恢復損耗、與溫度無關的低開關損耗,以及無閾值通態特性等,因此該器件具有出色的功率密度、頻率和效率。

    AIMW120R060M1HXKSA1潛在的應用包括車載充電器/PFC、升壓/直流-直流轉換器以及輔助逆變器。為了方便工程師朋友從傳統的Si IGBT應用順利切換到SiC MOSFET,這款器件提供了和IGBT驅動相兼容的電壓(導通電壓為18V),讓方案升級更容易。

    當用于系統方案時,更高的開關頻率意味著AIMW120R060M1HXKSA1可幫助設計者減少磁性組件體積和重量達5%,系統的冷卻器件和耗能得以減少,一方面讓系統具有更高的功率密度,另一方面也幫助設計者顯著降低應用成本。以輔助逆變器應用為例,在汽車EPS(電動助力轉向)應用中,可以通過輔助逆變器來控制所需要的電動機。在智能座艙的趨勢下,各個功能器件可以使用的空間都明顯縮小,而AIMW120R060M1HXKSA1無疑是解決問題的好辦法。同時,其他需要輔助逆變器的應用,比如空調壓縮機、車載充電器、主動底盤控制等也可以受益于這一優勢,此外重量的減輕則契合了汽車節能環保的理念。

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    持續追求更高的功率密度

    近幾年,追求更高的功率密度已經成為電源系統工程的終極目標,設計師們圍繞開關頻率、開關損耗、創新拓撲、高效集成、先進封裝等多維度攀登高功率密度的山峰。在此過程中,包括數據中心、高性能運算、電動汽車等下游應用大受裨益,能夠持續創造出前所未有的新市場。而具備高功率密度特性的元器件是這一切的基石。貿澤電子提供了豐富的元器件可用于提升方案的功率密度,幫助工程師朋友用更低的總擁有成本實現自己方案高功率密度的目標。
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