Context में पावर घनत्व को समझना

पावर घनत्व - वाट प्रति घन इंच (W/in3) या वाट प्रति घन सेंटीमीटर (W/cm3) में मापा जाता है - बिजली को मात्रा में मात्रा में मात्रा में आपूर्ति प्रदान कर सकती है। कॉम्पैक्ट पावर सप्लाई यूनिट (PSUs) के लिए, एक उच्च शक्ति घनत्व का मतलब है कि इंजीनियर एक छोटे पदचिह्न में अधिक वाट क्षमता फिट कर सकते हैं, जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे लैपटॉप, चिकित्सा उपकरण, दूरसंचार उपकरण और औद्योगिक स्वचालन के लिए आवश्यक है। अगली पीढ़ी के PSUs के लिए उद्योग लक्ष्य अक्सर 50 W/cm3 से अधिक है, जो अर्धचालकों से थर्मल प्रबंधन तक हर उपप्रणाली में नवाचार चला रहा है। ऐसी संख्याओं को प्राप्त करने के लिए एक समग्र दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है जो विद्युतीय, थर्मल और यांत्रिक नियंत्रण को एक साथ प्रदान करता है।

उच्च शक्ति घनत्व के लिए कोर डिजाइन रणनीतियाँ

1. उच्च आवृत्ति ऑपरेशन

एक शक्ति कनवर्टर की स्विचिंग आवृत्ति को बढ़ाने से चुंबकीय घटकों (ट्रांसफॉर्मर, प्रारंभ करनेवाला) और संधारित्रों के भौतिक आकार को कम कर देता है। आधुनिक गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (FETs) MHz-range frequency पर पारंपरिक सिलिकॉन MOSFETs की तुलना में कम नुकसान के साथ स्विच कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, 1 मेगाहर्ट्ज डिजाइन 100 kHz डिजाइन की तुलना में पांच के एक कारक द्वारा एक प्रारंभ करनेवाला कोर वॉल्यूम को सिकुड़ सकता है, उसी वर्तमान रिप आवश्यकता को आश्वस्त कर सकता है। हालांकि, उच्च आवृत्ति भी स्विचिंग नुकसान को बढ़ाता है और गेट्स के रखरखाव की सख्त लेआउट आवश्यकताओं को लागू करता है।

2. उन्नत मैग्नेटिक्स और प्लानर ट्रांसफॉर्मर

चुंबकीय घटक अक्सर एक पीएसयू की मात्रा पर हावी होते हैं। etched PCB वाइंडिंग के साथ प्लानर ट्रांसफॉर्मर का उपयोग ऊंचाई को कम करता है और थर्मल युग्मन को बेहतर बनाता है। उच्च क्षमता वाले फेराइट सामग्री (जैसे 3F4 या N87) कम मोड़ और कम कोर हानि के लिए अनुमति देते हैं। बहुत कॉम्पैक्ट डिजाइन के लिए, एकीकृत मैग्नेटिक्स प्रारंभ करनेवाला और ट्रांसफॉर्मर को एक ही संरचना में जोड़ते हैं, अंतरिक्ष की बचत करते हैं और अंतर संयोजन को कम करते हैं। शोधकर्ताओं ने एसी प्रतिरोध और रिसाव की शुरूआत को कम करने के लिए इंटरलीव्ड वाइंडिंग के साथ बहु परत वाले प्लानर चुंबकीय संरचनाओं का उपयोग करके 100 W / cm3 से अधिक बिजली घनत्व का प्रदर्शन किया है।

Planar ट्रांसफार्मर डिजाइन पर अधिक विस्तार के लिए, देखें TI's application Note on Planar magnets .

3. वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर

GaN और SiC उपकरणों तेजी से स्विच और सिलिकॉन की तुलना में उच्च वोल्टेज संभाल, छोटे निष्क्रिय और सरल topology सक्षम। GaN FETs, उनके कम गेट चार्ज और शून्य रिवर्स वसूली के साथ, snubber और heatsink के आकार को कम। SiC MOSFETs सर्वर PSUs और इलेक्ट्रिक वाहन चार्जर्स जैसे उच्च वोल्टेज (> 600 V) अनुप्रयोगों में उत्कृष्टता प्राप्त करते हैं, जहां वे छोटे ट्रांसफार्मर और कम शीतलन के लिए अनुमति देते हैं। व्यापार बंद लागत है, लेकिन मात्रा उत्पादन खाई को कम कर रहा है। कॉम्पैक्ट एसी-डीसी कन्वर्टर्स के लिए, एक टोटेम-पोल पावर फैक्टर सुधार (PFC) चरण में GaN का उपयोग करना भारी मात्रा में बचत को समाप्त कर सकता है।

4. कुशल थर्मल प्रबंधन

हीट निष्कर्षण बिजली घनत्व के लिए बछड़े है। एक पीएसयू जो 1 सेमी 3 वॉल्यूम में 100 डब्ल्यू नुकसान उत्पन्न करता है, पारंपरिक एयर कूलिंग से परे 100 डब्ल्यू / सेमी 2 की गर्मी प्रवाह घनत्व की आवश्यकता होगी। रणनीति में शामिल हैं:

  • ]हीट पाइप और वाष्प चैम्बर गर्म स्पॉट से बाहरी पंख तक गर्मी फैलाने के लिए।
  • Direct Liquid ठंडा डेटा केन्द्रों जैसे उच्च शक्ति घनत्व अनुप्रयोगों के लिए माइक्रोचैनल ठंड प्लेटों के साथ।
  • Potting and encapsulation थर्मली कंडक्टिव epoxies के साथ बाड़े को गर्मी का संचालन करने के लिए।
  • ]]Embedded हीट सिंक पीसीबी के भीतर तांबे के सिक्के या एल्यूमीनियम कोर परतों का उपयोग करते हैं।

थर्मल सिमुलेशन (CFD) और iterative prototyping संतुलन आकार और तापमान वृद्धि के लिए आवश्यक हैं। एक आम मीट्रिक जंक्शन से परिवेश (RθJA) तक थर्मल प्रतिरोध है, जिसे उच्च घनत्व के लिए कम से कम होना चाहिए।

5. Proper लेआउट के साथ बहुपरत पीसीबी

कॉम्पैक्ट पीएसयू लगभग हमेशा बहुपरत पीसीबी (4-12 परतें) का उपयोग बिजली के निशान, जमीन के समतल और सिग्नल परतों को स्टैक करने के लिए करता है। यह लूप इंडक्शन को कम करता है और एम्बेडेड निष्क्रिय (ब्युरीड कैपेसिटर, रेसिस्टर) की अनुमति देता है।

  • उच्च वर्तमान पथ को समर्पित तांबे के विमानों के माध्यम से उत्पादन के लिए इनपुट से कम करना।
  • स्विचिंग एफईटी के करीब के रूप में decoupling संधारित्रों की स्थापना।
  • उच्च आवृत्ति गेट संकेतों के लिए नियंत्रित प्रतिबाधा निशान का उपयोग करना।
  • विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) को कम करने के लिए शोर और संवेदनशील नोड्स की ओवरलैप से बचना।

एक अच्छी तरह से डिजाइन किए गए लेआउट 1–2% तक दक्षता में सुधार करते हुए 30% तक पीसीबी पदचिह्न को कम कर सकते हैं।

6. एकीकरण और सिस्टम-इन-पैकेज (SiP)

नियंत्रक, FETs और चुंबकीय को एक पैकेज (पावर मॉड्यूल) में एकीकृत करने से मात्रा और अंतर संयोजन हानि को नाटकीय रूप से कम कर देता है। Vicor, Infineon, और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स जैसी कंपनियां "bus कनवर्टर" मॉड्यूल प्रदान करती हैं जो कि ऊर्ध्वाधर रूप से स्टैकिंग घटकों द्वारा>400 W/in3 प्राप्त करती हैं और हाइब्रिड सब्सट्रेट्स (LTCC, DBC) का उपयोग करती हैं। कस्टम डिज़ाइन के लिए, पीसीबी (एम्बेडेडेड घटक पैकेजिंग) के अंदर नंगे मरने या निष्क्रियता को एम्बेड करना पीएसयू को और सिकुड़ सकता है।

पावर मॉड्यूल डिजाइन के अवलोकन के लिए, ]PSMA के तकनीकी लेख को पावर मॉड्यूल डिजाइन पर देखें।

उच्च शक्ति घनत्व के लिए घटक चयन

संधारित्र: आकार बनाम लहर वर्तमान

बहुपरत सिरेमिक संधारित्र (MLCC) कम वोल्टेज रेल (जैसे, 0402 पैकेज में 1 μF) के लिए उच्च समाई घनत्व प्रदान करते हैं। हालांकि, उनके वोल्टेज derating और तापमान गुणांक (X5R, X7R) पर विचार किया जाना चाहिए। इलेक्ट्रोलाइटिक संधारित्रों के लिए, बहुलक एल्यूमीनियम या टैंटलम बहुलक प्रकार मानक इलेक्ट्रोलाइटिक्स की तुलना में छोटे डिब्बे में उच्च तरंग वर्तमान हैंडलिंग प्रदान करते हैं। उच्च आवृत्ति इनपुट फिल्टर चरणों के लिए, फिल्म संधारित्र (जैसे पॉलीप्रोपाइलीन) को कम ईएसआर और स्वयं-चिकित्सा गुणों के लिए चुना जाता है।

प्रारंभ करनेवाला और ट्रांसफार्मर

उच्च संतृप्ति प्रवाह घनत्व (जैसे, FeSi, FeNi, या असंगत / नैनोक्रिस्टलाइन) के साथ कोर सामग्री छोटे क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्रों की अनुमति देती है। Litz तार या पन्नी घुमावदार उच्च आवृत्ति एसी हानि को कम करते हैं। अल्ट्रा कॉम्पैक्ट डिजाइन के लिए, युग्मित प्रारंभकर्ता (जैसे मल्टी-फ़ेज कन्वर्टर्स के लिए) कोर को साझा कर सकते हैं और भाग संख्या में गिनती को कम कर सकते हैं।

सेमीकंडक्टर: परे सिलिकॉन

जैसा कि उल्लेख किया गया है, GaN और SiC को प्राथमिकता दी जाती है। जब लागत की कमी सिलिकॉन को मजबूर करती है, तो फास्ट बॉडी डायोड या ऑप्टिमोस डिवाइस के साथ कूलएमओएस का उपयोग अभी भी पुराने प्लानर MOSFET की तुलना में घनत्व में सुधार कर सकता है। कम वोल्टेज (<100 वी) POL कन्वर्टर्स के लिए, सक्रिय क्लैंप या GaN के साथ एकीकृत पावर स्टेज कई विक्रेताओं से उपलब्ध हैं।

उच्च घनत्व के लिए उन्नत टोपोलॉजी

टोपोलॉजी चयन सीधे घटक आकार को प्रभावित करता है। पृथक एसी-डीसी बिजली की आपूर्ति के लिए, LLC अनुनाद कनवर्टर मध्यम शक्ति (200 W-2 किलोवाट) के लिए लोकप्रिय है क्योंकि शून्य वोल्टेज स्विचिंग (ZVS) और छोटे चुंबकीय के कारण। उच्च घनत्व के लिए, पुल रहित टोटेम-पोल पीएफसी प्लस एलएलसी संयोजन> 97% दक्षता प्राप्त कर सकता है। गैर-पृथ्वल डीसी-डीसी में, इंटरलीव मल्टीफ़ेस buck कन्वर्टर्स रिपल रद्दीकरण और तेजी से क्षणिक प्रतिक्रिया के माध्यम से प्रारंभ करनेवाला आकार को कम करते हैं।

एक और आशाजनक स्थलविज्ञान फ्लाइंग संधारित्र बहुस्तरीय कनवर्टर है, जो स्विचन हानि को बढ़ाए बिना प्रभावी आवृत्ति बढ़ाने के लिए छोटे संधारित्रों और स्विच का उपयोग करता है। एक व्यापक तुलना के लिए, जांच ]

प्रैक्टिकल चैलेंज्स एंड ट्रेड-ऑफ

उच्च शक्ति घनत्व अक्सर अन्य उद्देश्यों के साथ संघर्ष: लागत, ईएमआई, विश्वसनीयता और गतिशीलता। उदाहरण के लिए, आवृत्ति को धक्का देने से चुंबकीय आकार कम हो जाता है लेकिन त्वचा प्रभाव हानि और विकिरण ईएमआई को बढ़ाता है। बैठक में उत्सर्जन सीमा (CISPR 22) का आयोजन किया गया है, जिसमें अतिरिक्त फ़िल्टरिंग की आवश्यकता हो सकती है जो वॉल्यूम जोड़ता है। थर्मल साइकिलिंग और गर्म स्पॉट समय के साथ संधारित्र और मिलाप जोड़ों को कम कर सकते हैं, इसलिए derating और विश्वसनीयता परीक्षण अनिवार्य हैं।

एक घने डिजाइन में लेआउट परजीवी प्रेरण वोल्टेज ओवरशूट और रिंगिंग का कारण बन सकता है, जिसमें snubbers की आवश्यकता होती है जो बेकार की शक्ति को बर्बाद कर देता है। इंजीनियर अक्सर सिमुलेशन (FeA for magnets, थर्मल के लिए CFD, बिजली के लिए SPICE) और प्रोटोटाइप माप के बीच घूमते हैं जो एक डिजाइन पर अभिव्यक्त होता है जो व्यावहारिक बाधाओं के साथ प्रदर्शन को संतुलित करता है।

कॉम्पैक्ट पीएसयू में भविष्य के रुझान

शक्ति घनत्व के लिए धक्का 3 डी पैकेजिंग (स्टैक्ड मर जाता है), GaN-on-Si एकीकरण, और उन्नत गेट ड्राइवरों जैसे रुझानों के साथ जारी है। ऊर्ध्वाधर एकीकरण का उपयोग करते हुए, जैसे कि मरने के माध्यम से सिलिकॉन vias (TSVs) के साथ स्टैकिंग, अंतर-कनेक्ट हानि और परजीवी प्रेरण को कम कर सकता है। मल्टी-रेल कन्वर्टर्स जो एक एकल चुंबकीय कोर साझा करते हैं, पॉइंट-ऑफ-लोड अनुप्रयोगों के लिए उभर रहे हैं। इसके अलावा, वास्तविक समय अनुकूलन के साथ डिजिटल नियंत्रण गतिशील रूप से लोड परिवर्तनों के अनुकूल होने के लिए आवृत्ति या चरण को समायोजित कर सकता है, जो सुरक्षा के बिना प्रकाश-लोड दक्षता में सुधार कर सकता है।

अगली पीढ़ी के बिजली घनत्व प्रदर्शनों पर एक नज़र के लिए, देखें इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन के रोडमैप 1000 W/in3].

निष्कर्ष

कॉम्पैक्ट बिजली आपूर्ति इकाइयों में उच्च शक्ति घनत्व हासिल करना एक बहुविषय इंजीनियरिंग चुनौती है जो शीर्षविज्ञान, अर्धचालकों, चुंबकीय सामग्री और थर्मल प्रबंधन रणनीतियों के सावधानीपूर्वक चयन की मांग करती है। विस्तृत-बैंडगैप उपकरणों, प्लानर मैग्नेटिक्स, उच्च आवृत्ति संचालन और बुद्धिमान लेआउट का लाभ उठाकर, डिजाइनर आज व्यावहारिक उत्पादों में 100 W/cm3 से अधिक वितरित कर सकते हैं। कुंजी थर्मल अपव्यय की सीमा को धक्का देते हुए दक्षता, लागत, ईएमआई और विश्वसनीयता के बीच व्यापार-बंदी को संतुलित करना है। पैकेजिंग और अर्धचालक प्रौद्योगिकियों के रूप में आगे बढ़ना जारी है, कल के पीएसयू भी छोटे होंगे, जो सभी आकारों के अधिक पोर्टेबल, शक्तिशाली और कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए मार्ग प्रशस्त हो जाएगा।