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如何在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的功率

貿(mào)澤電子 ? 來源:貿(mào)澤電子 ? 作者:貿(mào)澤電子 ? 2022-05-25 14:59 ? 次閱讀

消費電子的小型化、一體化,汽車和工業(yè)設(shè)備的智能化,幾乎都是各行業(yè)不可逆的發(fā)展趨勢。在這樣的大趨勢下,系統(tǒng)設(shè)計面臨著一個共同的難題:如何在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的功率?

毫無疑問,對于電源產(chǎn)品而言,不斷追求更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率是一個常講常新的話題,設(shè)計人員將持續(xù)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(zhàn)和方法,以及貿(mào)澤電子在售的,能夠幫助系統(tǒng)方案提升功率密度的優(yōu)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(fù)雜,通常我們會把它量化為單位體積內(nèi)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(shù)值,單位為瓦/立方米(W/m3)或瓦/立方英寸(W/in3)。

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圖1:功率密度常用的表現(xiàn)形式

(圖源:TI)

很顯然,設(shè)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(xiàn)這一目標并不容易,無論是電源器件還是模塊方案,成熟設(shè)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(zhàn)重重,不過近年來設(shè)計者們還是通過創(chuàng)新設(shè)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(chuàng)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(jù)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(shè)計師們想到的方法是提升開關(guān)頻率以及拓撲創(chuàng)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?qū)嶋H上更像是前面兩個方向的延伸,那就是集成,本質(zhì)是讓更多的元件出現(xiàn)在一個封裝中,因此需要在系統(tǒng)設(shè)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(nèi)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(guān)頻率這一點,它其實也關(guān)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(guān)頻率和更高的系統(tǒng)效率并不能畫等號,它們中間有一個關(guān)鍵的影響因素——開關(guān)損耗。

如果設(shè)計者只是單純追求開關(guān)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(guān)損耗也會通過系統(tǒng)功耗和散熱等問題帶來懲罰。這個時候,設(shè)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(shè)計者們往往就需要在效率、體積和開關(guān)頻率上面做平衡,比如設(shè)計者如果選擇了軟開關(guān)技術(shù),那么就能夠?qū)崿F(xiàn)很高的開關(guān)頻率,且開關(guān)損耗很低,但額外增加的無源器件便使得系統(tǒng)方案在體積上有所妥協(xié)。

在功率器件領(lǐng)域,除了圍繞傳統(tǒng)硅器件本身做文章外,材料的創(chuàng)新有時也會帶來巨大的性能提升。比如,在談?wù)摴β拭芏葧r,GaN(氮化鎵)憑借零反向復(fù)原、低輸出電荷和高電壓轉(zhuǎn)換率等突出優(yōu)勢,能夠幫助廠商大幅提升系統(tǒng)密度,而另一種主流的寬帶隙半導(dǎo)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(tǒng)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(zhàn),以及目前比較主流的一些實現(xiàn)方式。接下來,我們來看一下貿(mào)澤電子在售的一些出色元器件,它們是怎樣幫助系統(tǒng)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(wěn)壓DC轉(zhuǎn)換器,貿(mào)澤電子上的制造商器件編號為DCM3717S60E14G5TN0。

DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC轉(zhuǎn)換器是一款48V至負載點穩(wěn)壓DC轉(zhuǎn)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(guān)(ZVS)降壓-升壓穩(wěn)壓器和正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC),再輔助以SM-ChiP這種領(lǐng)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(tǒng),都會是高功率密度的出色產(chǎn)品,適用于數(shù)據(jù)中心、高性能計算系統(tǒng)、汽車和工業(yè)市場。

器件層面,如圖3所示,ZVS降壓-升壓穩(wěn)壓器是DCM3717的第一級模塊。通過采用ZVS技術(shù),DCM3717的開關(guān)頻率超過1MHz,持續(xù)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%。

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圖3:DCM3717系統(tǒng)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(guān)周期,以顯著降低柵極驅(qū)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(jù)需要從基本頻率降低,通過降低工作頻率或延長每個開關(guān)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(yīng)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°C和100°C情況下,DCM3717都可以有97%峰值效率的高效表現(xiàn)。而在其他測試條件下,這種高效表現(xiàn)都得以延續(xù)。

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圖4:VOUT=10.0V,25°C下的效率表現(xiàn)

(圖源:Vicor)

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圖5:VOUT=10.0V,100°C下的效率表現(xiàn)

(圖源:Vicor)

通常情況下,為實現(xiàn)高效率和高開關(guān)頻率,軟開關(guān)的使用一般會犧牲系統(tǒng)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(xié)。其中一部分功勞要給到SM-ChiP封裝,這種創(chuàng)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(cè)和底側(cè)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(yōu)勢,典型應(yīng)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(xiàn)的系統(tǒng)尺寸、重量和效率屬性,打造低成本、高效的電力系統(tǒng)解決方案。

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圖6:DCM3717單模塊典型應(yīng)用電路

(圖源:Vicor)

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圖7:DCM3717雙模塊典型應(yīng)用電路

(圖源:Vicor)

這種創(chuàng)新的器件設(shè)計和封裝形式打破了數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的“功率密度悖論(Power Density Paradox,PDP)”。此前部分企業(yè)在部署數(shù)據(jù)中心時,通過使用小尺寸、高密度的服務(wù)器和存儲產(chǎn)品追求更高的功率密度,然而密集緊湊的設(shè)備往往需要費用昂貴的冷卻設(shè)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(shè)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(shè)計者輕松解決“功率密度悖論”。

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(shù)創(chuàng)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(chǎn)品的高功率密度表現(xiàn)。

而接下來,我們將通過英飛凌另一款器件來介紹,SiC技術(shù)同樣是一種提升器件功率密度的優(yōu)質(zhì)路線。是一款英飛凌汽車用1200V SiC溝槽式MOSFET新品,貿(mào)澤電子的供應(yīng)商器件編號為AIMW120R060M1HXKSA1。

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

根據(jù)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(shù)屬于后者,其優(yōu)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(fā)經(jīng)驗,英飛凌CoolSiC MOSFET技術(shù)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(diào)整,為了防止器件出現(xiàn)“誤導(dǎo)通”,英飛凌將VGS(th)重新設(shè)計在大于4V之上,從而降低了噪音帶來的“誤導(dǎo)通”。AIMW120R060M1HXKSA1的V為4.5V。

綜合而言,AIMW120R060M1HXKSA1的產(chǎn)品優(yōu)勢包括開關(guān)中的低柵極電荷和器件電容、反并聯(lián)二極管無反向恢復(fù)損耗、與溫度無關(guān)的低開關(guān)損耗,以及無閾值通態(tài)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(yīng)用包括車載充電器/PFC、升壓/直流-直流轉(zhuǎn)換器以及輔助逆變器。為了方便工程師朋友從傳統(tǒng)的Si IGBT應(yīng)用順利切換到SiC MOSFET,這款器件提供了和IGBT驅(qū)動相兼容的電壓(導(dǎo)通電壓為18V),讓方案升級更容易。

當用于系統(tǒng)方案時,更高的開關(guān)頻率意味著AIMW120R060M1HXKSA1可幫助設(shè)計者減少磁性組件體積和重量達5%,系統(tǒng)的冷卻器件和耗能得以減少,一方面讓系統(tǒng)具有更高的功率密度,另一方面也幫助設(shè)計者顯著降低應(yīng)用成本。以輔助逆變器應(yīng)用為例,在汽車EPS(電動助力轉(zhuǎn)向)應(yīng)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(yīng)用,比如空調(diào)壓縮機、車載充電器、主動底盤控制等也可以受益于這一優(yōu)勢,此外重量的減輕則契合了汽車節(jié)能環(huán)保的理念。

持續(xù)追求更高的功率密度

近幾年,追求更高的功率密度已經(jīng)成為電源系統(tǒng)工程的終極目標,設(shè)計師們圍繞開關(guān)頻率、開關(guān)損耗、創(chuàng)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(shù)據(jù)中心、高性能運算、電動汽車等下游應(yīng)用大受裨益,能夠持續(xù)創(chuàng)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(mào)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(xiàn)自己方案高功率密度的目標。

關(guān)于貿(mào)澤電子

貿(mào)澤電子(Mouser Electronics)是一家全球授權(quán)半導(dǎo)體和電子元器件授權(quán)分銷商,服務(wù)全球廣大電子設(shè)計群體。貿(mào)澤電子原廠授權(quán)分銷超過1,200家知名品牌,可訂購500多萬種在線產(chǎn)品,為客戶提供一站式采購平臺,歡迎關(guān)注我們,獲取第一手的設(shè)計與產(chǎn)業(yè)資訊信息!

原文標題:如何提高系統(tǒng)功率密度

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審核編輯:湯梓紅
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