如何提高系统功率密度

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【导读】消费电子的小型化、一体化,汽车和工业设备的智能化,几乎都是各行业不可逆的发展趋势。在这样的大趋势下,系统设计面临着一个共同的难题:如何在有限的空间内实现更高的功率?


毫无疑问,对于电源产品而言,不断追求更高的功率密度和转换效率是一个常讲常新的话题,设计人员将持续在这方面埋首前行。今天,我们的话题也是围绕功率密度展开,包括提升功率密度的挑战和方法,以及贸泽电子在售的,能够帮助系统方案提升功率密度的优秀元器件。


提高功率密度的方法论


要解释何为功率密度其实并不复杂,通常我们会把它量化为单位体积内的功率量,如图1所示,也就是器件的额定功率除以器件体积所得到的数值,单位为瓦/立方米(W/m3)或瓦/立方英寸(W/in3)。


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图1:功率密度常用的表现形式

(图源:TI)


很显然,设计者的第一个想法会是通过缩小器件的体积来提升功率密度。要实现这一目标并不容易,无论是电源器件还是模块方案,成熟设计中的部件都较为固定,且大都是必要的,同时散热问题也不允许粗暴地将冷却部件抹除,或者仅仅将部件拼凑在一起。


虽然挑战重重,不过近年来设计者们还是通过创新设计,在器件或者方案体积上面做足了文章,截止到目前,我们可以将这些创新归类到三个更细分的方向上。首先是减少大尺寸电感器、大尺寸电容器的使用。在电源方案中,这些被动元件往往会占据很大的空间,是整体方案变大的主要因素之一。为了尽可能减小被动元件的影响,设计师们想到的方法是提升开关频率以及拓扑创新等。其次是减少散热部件的使用。事实证明更好的封装形式和先进的引线框架能够做到这一点。目前各大厂商都有自己拿手的、极具特色的封装方式。第三个方向实际上更像是前面两个方向的延伸,那就是集成,本质是让更多的元件出现在一个封装中,因此需要在系统设计和封装上面同时想办法。一个具有代表性的例子是将反馈电路集成到隔离式DC/DC器件的内部,让这一局部方案的体积明显变小。


刚刚也讲到了提升开关频率这一点,它其实也关乎到提升功率密度的另一条路径——以提升效率为主要手段让器件的额定功率到达更高的水平。实际上,更高的开关频率和更高的系统效率并不能画等号,它们中间有一个关键的影响因素——开关损耗。


如果设计者只是单纯追求开关频率的提高,确实能够在输出电感和寄生电容等方面尝到甜头,但是开关损耗也会通过系统功耗和散热等问题带来惩罚。这个时候,设计者们就需要更高效率的拓扑及控制方式。到了这个阶段,设计者们往往就需要在效率、体积和开关频率上面做平衡,比如设计者如果选择了软开关技术,那么就能够实现很高的开关频率,且开关损耗很低,但额外增加的无源器件便使得系统方案在体积上有所妥协。


在功率器件领域,除了围绕传统硅器件本身做文章外,材料的创新有时也会带来巨大的性能提升。比如,在谈论功率密度时,GaN(氮化镓)凭借零反向复原、低输出电荷和高电压转换率等突出优势,能够帮助厂商大幅提升系统密度,而另一种主流的宽带隙半导体材料SiC(碳化硅)也是提升功率密度的上佳选择。


高功率密度电源系统的理想之选


上述我们谈到了提升电源功率密度的重要性,并进一步解读了提升功率密度会遇到的挑战,以及目前比较主流的一些实现方式。接下来,我们来看一下贸泽电子在售的一些出色元器件,它们是怎样帮助系统提升功率密度的?


第一款器件为大家推荐来自制造商Vicor的一款非隔离式稳压DC转换器,贸泽电子上的制造商器件编号为DCM3717S60E14G5TN0。


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图2:DCM3717非隔离式稳压DC转换器

(图源:Vicor)


DCM3717非隔离式稳压DC转换器是一款48V至负载点稳压DC转换器,具有宽输入范围:40VDC至60VDC,和宽输出范围:10VDC至13.5VDC。凭借Vicor获得专利的零电压开关(ZVS)降压-升压稳压器和正弦振幅转换器(SAC),再辅助以SM-ChiP这种领先的封装形式,DCM3717无论是器件本身,还是基于其打造的电源系统,都会是高功率密度的出色产品,适用于数据中心、高性能计算系统、汽车和工业市场。


器件层面,如图3所示,ZVS降压-升压稳压器是DCM3717的第一级模块。通过采用ZVS技术,DCM3717的开关频率超过1MHz,持续运行功率可达750W(62.5A),瞬时峰值功率可达900W(75A),峰值效率为97%。


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图3:DCM3717系统框图

(图源:Vicor)


为了尽可能地提供高效率,DCM3717中的ZVS升降压级具有迟滞脉冲跳跃模式,在轻负载条件下,可以跳过开关周期,以显著降低栅极驱动功率,并提高效率。同时,ZVS升降压级还支持变频操作,工作频率可以根据需要从基本频率降低,通过降低工作频率或延长每个开关周期,从而保持高效率。DCM3717中的第二级,也就是电流倍增级也会响应这种变频操作。


通过图4和图5能够看出,在VOUT=10.0V,温度为25°C和100°C情况下,DCM3717都可以有97%峰值效率的高效表现。而在其他测试条件下,这种高效表现都得以延续。


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图4:VOUT=10.0V,25°C下的效率表现

(图源:Vicor)


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图5:VOUT=10.0V,100°C下的效率表现

(图源:Vicor)


通常情况下,为实现高效率和高开关频率,软开关的使用一般会牺牲系统尺寸,而DCM3717作为一款紧凑的方案,37mm × 17mm × 7.4mm的封装尺寸未见丝毫妥协。其中一部分功劳要给到SM-ChiP封装,这种创新的封装形式不仅让ZVS和SAC带来了出色的功率密度,同时也提供了灵活的散热管理选项,顶侧和底侧热阻非常低。


方案层面,通过图6和图7可以非常直观地感受到,由于器件本身的集成优势,典型应用电路的外围电路非常简单,使客户能够达成以前无法实现的系统尺寸、重量和效率属性,打造低成本、高效的电力系统解决方案。


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图6:DCM3717单模块典型应用电路

(图源:Vicor)


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图7:DCM3717双模块典型应用电路

(图源:Vicor)


这种创新的器件设计和封装形式打破了数据中心领域的“功率密度悖论(Power Density Paradox,PDP)”。此前部分企业在部署数据中心时,通过使用小尺寸、高密度的服务器和存储产品追求更高的功率密度,然而密集紧凑的设备往往需要费用昂贵的冷却设施才能正常工作,最终在成本和功耗方面都没有得到实惠。


而造成“功率密度悖论”的一个重要原因就是设备中的功率器件只单纯地追求小,忽略了散热这个大问题。而DCM3717在追求高效、集成的同时,提供了灵活的散热管理选项,再加上SM-ChiP封装本身的高散热效率,可以帮助设计者轻松解决“功率密度悖论”。


高功率密度的SiC沟槽式MOSFET


新材料也是厂商提升器件功率密度的一个重要手段。我们在技术创新的部分用GaN进行了举例,大家可以借助英飞凌的IGO60R070D1AUMA1对此深入了解,感受产品的高功率密度表现。


而接下来,我们将通过英飞凌另一款器件来介绍,SiC技术同样是一种提升器件功率密度的优质路线。图8是一款英飞凌汽车用1200V SiC沟槽式MOSFET新品,贸泽电子的供应商器件编号为AIMW120R060M1HXKSA1。


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图8:AIMW120R060M1HXKSA1

(图源:英飞凌)


AIMW120R060M1HXKSA1专为满足汽车行业对高效、可靠性、质量和性能的高要求而设计。与此同时,受益于英飞凌CoolSiC MOSFET技术,这款器件不仅本身具有更高的功率密度,同时在系统方案方面,能够帮助方案符合新法规对电动汽车更高能效的要求。


根据制造工艺的差异,SiC器件会有平面式和沟槽式两种主流的方式。英飞凌CoolSiC MOSFET技术属于后者,其优势是更容易达到性能要求而不偏离栅极氧化层的安全条件。凭借在SiC超过20年的研发经验,英飞凌CoolSiC MOSFET技术可以带来出色的性能、可靠性和易用性。在此特别提一下英飞凌对于基准栅极阈值电压VGS(th)的调整,为了防止器件出现“误导通”,英飞凌将VGS(th)重新设计在大于4V之上,从而降低了噪音带来的“误导通”。AIMW120R060M1HXKSA1的V为4.5V。


综合而言,AIMW120R060M1HXKSA1的产品优势包括开关中的低栅极电荷和器件电容、反并联二极管无反向恢复损耗、与温度无关的低开关损耗,以及无阈值通态特性等,因此该器件具有出色的功率密度、频率和效率。


AIMW120R060M1HXKSA1潜在的应用包括车载充电器/PFC、升压/直流-直流转换器以及辅助逆变器。为了方便工程师朋友从传统的Si IGBT应用顺利切换到SiC MOSFET,这款器件提供了和IGBT驱动相兼容的电压(导通电压为18V),让方案升级更容易。


当用于系统方案时,更高的开关频率意味着AIMW120R060M1HXKSA1可帮助设计者减少磁性组件体积和重量达5%,系统的冷却器件和耗能得以减少,一方面让系统具有更高的功率密度,另一方面也帮助设计者显著降低应用成本。以辅助逆变器应用为例,在汽车EPS(电动助力转向)应用中,可以通过辅助逆变器来控制所需要的电动机。在智能座舱的趋势下,各个功能器件可以使用的空间都明显缩小,而AIMW120R060M1HXKSA1无疑是解决问题的好办法。同时,其他需要辅助逆变器的应用,比如空调压缩机、车载充电器、主动底盘控制等也可以受益于这一优势,此外重量的减轻则契合了汽车节能环保的理念。


持续追求更高的功率密度


近几年,追求更高的功率密度已经成为电源系统工程的终极目标,设计师们围绕开关频率、开关损耗、创新拓扑、高效集成、先进封装等多维度攀登高功率密度的山峰。在此过程中,包括数据中心、高性能运算、电动汽车等下游应用大受裨益,能够持续创造出前所未有的新市场。而具备高功率密度特性的元器件是这一切的基石。贸泽电子提供了丰富的元器件可用于提升方案的功率密度,帮助工程师朋友用更低的总拥有成本实现自己方案高功率密度的目标。



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