Voimatiheyden ymmärtäminen kontekstissa

Tehotiheys on mitattu wattia kohti (W/in3) tai wattia kuutiosenttimetriä kohti (W/cm3).Tässä määrin saadaan aikaan teho, jonka syöttö voi tuottaa yksikkötilavuudessa.Tällaisen tiheyden ansiosta insinöörit voivat sovittaa suuremman tehon pienemmäksi jalanjäljeksi, joka on välttämätön modernille elektroniikkalle, kuten kannettavalle tietokoneelle, lääkinnälliselle laitteille, televiestintälaitteille ja teollisuusautomaatiolle.Tällaisen lähteen seuraavan sukupolven PSU-käyttötavoite ylittää usein 50 W/cm3, mikä johtaa innovaatioon kaikissa osajärjestelmissä puolijohteista lämmönhallintaan.

Korkean tehon tiheyteen liittyvät keskeiset suunnittelustrategiat

1. Korkean suorituskyvyn operaatio

Virranmuuntimen kytkentätaajuuden nostaminen vähentää magneettiosien (muuntajien, induktorien) ja kondensaattoreiden fyysistä kokoa. Moderni galliumnitriitin (GaN) ja piikarbidin (SiC) kenttävaikutustransistorit (FET) voivat vaihtaa taajuusspektrillä, jolloin niiden häviöt ovat pienemmät kuin perinteisten pii MOSFET-laitteiden. Esimerkiksi 1 MHz:n suunnittelu voi kutistaa induktoriytimen ydinvolyymiä viidellä kertoimella 100 kHz:n rakenteeseen verrattuna, olettaen, että sama nykyinen repeämävaatimus on olemassa. Kuitenkin suurempi taajuus lisää myös kytkentähäviöitä ja asettaa tiukemmat ulkoasuvaatimukset loisinduktanssin hallitsemiseksi. Porttiohjaimien ja snubberien huolellinen suunnittelu tulee kriittiseksi tehokkuuden ylläpitämiseksi.

2. Edistyneet magneettiset ja planaariset muuntajat

Magneettikomponentit hallitsevat usein PSU:n määrää. Käyttämällä planaarimuuntajia ja etsattuja PCB-käämiä vähennetään korkeutta ja lämpökytkemistä. Korkea läpäisevyys ferriittimateriaaleissa (kuten 3F4 tai N87) sallitaan vähemmän kierroksia ja pienempiä ydinhäviöitä. Integroiduissa malleissa induktori ja muuntaja yhdistyvät yhdeksi rakennukseksi, säästää tilaa ja vähentää yhteenliitäntöjä. Tutkijat ovat osoittaneet tehotiheydet yli 100 W/cm3 käyttäen monikerroksisia planaarisia magneettirakenteita, joissa on halkeamia, jotta AC-vastus ja vuotoinduktanssi voidaan minimoida.

Lisätietoja muuntajan suunnittelusta on [TI:n sovellusohjeessa planaarimagneeteista.

3. Laajakaistaiset puolijohdekomponentit

GAN- ja SiC-laitteet vaihtavat nopeammin ja käsittelevät piitä suurempia jännitteitä, jolloin pienemmät passiiviset ja yksinkertaisemmat teptorit ovat mahdollisia. GAN-FET-laitteet pienentävät matalan porttivarauksen ja nollan käänteisen palautuksen ansiosta nubberin ja lämmönsimpun kokoa. SiC-MOSFET-laitteet toimivat korkeajännite- (>600 V) -sovelluksissa, kuten palvelin-PSU- ja sähköautolaturit, joissa ne mahdollistavat pienemmät muuntajat ja pienemmän jäähdytyksen. Vaihto-off on kustannus, mutta volyymin tuotanto kaventaa aukkoa. Kompaktin AC-DC-muuntimen käyttö GAN-moottorilla, joka käyttää toteemi-tehokertoimen korjausta (PFC) -vaiheessa voi poistaa suuren diodisillan, mikä säästää merkittävää määrää.

4. Tehokas lämmönhallinta

Lämmönotto on pullonkaula tehotiheydelle. PSU, joka tuottaa 100 W hävikkiä 1 cm3 tilavuus tarvitsisi lämpövuon tiheys 100 W/cm2, paljon enemmän kuin tavanomainen ilman jäähdytys. Strategioita ovat:

  • Lämminputket ja höyrykammiot[ lämpöä levitettäessä kuumapaikoista ulkoisiin eviin.
  • Suora nestejäähdytys[] mikrokanavaisilla kylmälevyillä suurtehon tiheyssovelluksiin, kuten datakeskuksiin.
  • Pyöritys ja kapselointi [] lämpöjohtavilla epoksilla, joilla lämpöä johdetaan koteloon.
  • Kiehutetut jäähdytyslevyt PCB:ssä kuparikolikon tai alumiinisen ytimen kerroksilla.

Lämpösimulaatio (CFD) ja iteratiiviset prototyypit ovat välttämättömiä koko- ja lämpötilanousun tasapainottamiseksi. Yhteinen metri on lämmönkestävyys liitoksesta ympäristöön (RθJA), joka on minimoitava suuren tiheyden vuoksi.

5. Monikerroksinen PCB-yhdiste, jossa on oikea asettelu

Kompakti PSU käyttää lähes aina monikerroksisia PCB-yhdisteitä (4...12 kerrosta) pinotakseen tehojälkeä, maatasoja ja signaalitasoja. Tämä vähentää silmukkainduktanssia ja mahdollistaa upotettujen passiivisten (haudattujen kondensaattoreiden, vastusten) sulauttamisen. Kriittisiä asettelutekniikoita ovat:

  • Minimoin korkean virran polun syötöstä lähtöön kuparikoneiden avulla.
  • Kondensaattorit on kytkettävä irti mahdollisimman lähelle FET-järjestelmän kytkentää.
  • Käyttäen hallittuja impedanssijälkeä korkeataajuisiin porttisignaaleihin.
  • Vältetään meluisten ja herkkien solmujen päällekkäisyyksiä sähkömagneettisten häiriöiden vähentämiseksi.

Hyvin suunniteltu asettelu voi pienentää PCB-jalanjälkeä jopa 30 prosenttia ja parantaa tehokkuutta 1...2 prosentilla.

6. Integrointi ja järjestelmäpaketti (SiP)

Ohjaimen, FET-laitteiden ja magneettien integrointi yhteen pakettiin (voimamoduuliin) vähentää merkittävästi volyymi- ja yhteenliittämishäviöitä. Vicorin, Infineonin ja Texas-Instrumentin kaltaiset yritykset tarjoavat "bussimuunninta" moduuleja, jotka saavuttavat >400 W/in3 pinoamalla osia pystysuunnassa ja käyttämällä hybridialustoja (LTCC, DBC). PSU:tä voidaan edelleen kutistaa räätälöidyissä malleissa, upottamalla paljaita tai passiivisia PCB:n sisällä (sulautettu komponenttipakkaus).

Sähkömoduulin suunnittelusta on yleiskatsaus PSMA:n sähkömoduulin suunnittelua koskevassa teknisessä artikkelissa.

Komponenttien valinta suurtehotiheydelle

Kondensaattorit: Koko vs. aaltovirta

Monikerroksiset keraamiset kondensaattorit (MLCC) tarjoavat korkean kapasitanssitiheyden pienjännitekaiteille (esim. 1 μF 0402-paketissa). Niiden jännite derating ja lämpötilakerroin (X5R, X7R) on kuitenkin otettava huomioon. Elektrokondensaattoreille alumiini- tai tantaalipolymeerityypeille annetaan korkeampi aaltovirran käsittely pienemmissä tölkeissä kuin tavallisissa elektrolyyttisissa tölkeissä. Korkeataajuisten tulosuodattimien osalta on valittava kalvokondensaattorit (kuten polypropeeni) matalapaineisiin ja itseparannusominaisuuksiin.

Induktio- ja muuntajakoneet

Ydinmateriaalit, joiden saturaatiovuotiheys on suuri (esim. FeSi, FeNi tai amorfinen/nanokiteinen), mahdollistavat pienemmät poikkileikkausalueet. Litz-lanka- tai -foliokäämit vähentävät korkeataajuisia AC-häviöitä. Ultra-kompaktien mallien osalta kytketyt induktorit (esim. monivaihemuuntimet) voivat jakaa ytimen ja vähentää osien määrää.

Puolijohteet: Piin ulkopuolella

Kuten edellä mainittiin, GAN ja SiC ovat suositeltavia. Kun kustannusrajoitteet voima pii, käyttämällä CoolMOS nopea runko diodeja tai OptimOS laitteita voi edelleen parantaa tiheyttä verrattuna vanhempiin planaari MOSPET. Matalajännite (<100 V) POL muuntimet, integroitu teho vaiheissa aktiivinen clamp tai GAN ovat saatavilla useita toimittajia.

Pahoittelut tiheydestä

Topologian valinta vaikuttaa suoraan komponentin kokoon. Eristettyjen AC-DC-virtalähteiden LLC resonanttimuunnin on suosittu keskiteholle (200 W. W.22 kW) nollajännitekytkimen (ZVS) ja pienen magneettikentän ansiosta. Suurempien tiheyden osalta siltaton totem-napa PFC + LLC-yhdistelmä voi saavuttaa yli 97%:n hyötysuhteen. Eristymättömässä DC-DC:ssä halkeamattomissa monivaiheiset pullimuuntimet vähentävät induktorin kokoa ripplen peruuttamisen ja nopeamman transientin vasteen avulla.

Toinen lupaava topologia on lentävä kondensaattori monitasomuunnin, joka käyttää pienempiä kondensaattoreita ja kytkimet lisätä tehokasta taajuus ilman lisää kytkentähäviötä. Kattava vertailu, tarkistaa []Power Electronics' artikkeli topologian valinta[.

Käytännön haasteet ja kompromissit

Suuri tehotiheys on usein ristiriidassa muiden tavoitteiden kanssa: kustannus, EMI, luotettavuus ja valmistuskelpoisuus. Esimerkiksi nopeampi tiheys vähentää magneettisen koon määrää, mutta lisää ihovaikutusten häviämistä ja säteilyä EMI. Suoritettujen päästörajojen (CISPR 22) saavuttaminen saattaa edellyttää lisäsuodatusta, joka lisää volyymia. Lämpökierto ja kuumat pisteet voivat heikentää kondensaattoreita ja juotinliitoksia ajan mittaan, joten derating ja luotettavuustestaus ovat pakollisia.

Layout lois-induktanssi tiheässä suunnittelussa voi aiheuttaa jänniteylityksiä ja soittoa, jotka vaativat nubbers että tuhlata voimaa. Insinöörit usein iteroida simulaation (FEA magneettinen, CFD lämpö, SPICE sähkö) ja prototyyppimittaukset lähentyä suunnittelu, joka tasapainottaa suorituskykyä käytännön rajoitteita.

Kompaktien PSU:iden tulevat suuntaukset

Voimatiheyden push-nokkain jatkuu 3D-pakkauksissa (pinotut ruuvit), GaN-on-Si-integraatiossa ja edistyneissä porttiajureissa. Pystysuoran integroinnin avulla, kuten die-pinoamalla läpipiippua (TSV) voi vähentää liitosten häviötä ja loisinduktanssia. Moniraiteisia muuntimia, jotka jakavat yhden magneettisen ytimen, syntyy myös latauspistesovelluksiin. Digitaalinen ohjaus reaaliaikaisella optimoinnilla voi dynaamisesti säätää taajuuksia tai vaihetta mukautua kuormitusmuutoksiin, parantaa valonläpäisytehokkuutta uhraamatta tiheyttä.

Seuraavan sukupolven tehotiheyden demonstraatiot: katso []Sähköisen suunnittelun etenemissuunnitelma 1000 W/in3.

Päätelmä

Suuri tehotiheys kompaktien virtalähteiden yksiköissä on monitieteinen tekninen haaste, joka vaatii huolellista valikoimaa torpologioita, puolijohteita, magneettisia materiaaleja ja lämmönhallintastrategioita. Laajakaistaisten laitteiden, planaarimagneettojen, suurtaajuustoimintojen ja älykkään layoutin avulla suunnittelijat voivat tänään toimittaa yli 100 W/cm3 käytännön tuotteissa. Avain on tasapainottaa tehokkuuden, kustannusten, EMIn ja luotettavuuden välisiä vaihto-offeja samalla kun ne työntävät lämpökavennuksen rajoja. Pakkausten ja puolijohdeteknologioiden edetessä tulevat olemaan tulevaisuudessa vielä pienempiä, mikä tasoittaa tietä kaikenkokoisille kannettavammille, tehokkaille ja tehokkaille elektronisille laitteille.