컴팩트 전력 공급 단위의 고출력 밀도 달성 방법

Context에 있는 힘 조밀도

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고출력 밀도를 위한 핵심 디자인 전략

1. 높은 주파수 가동

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2. 진보된 자석 및 평면 변압기

자석 성분은 수시로 PSU의 양을 지배합니다. 외래된 PCB 감기를 가진 판자 변압기를 사용하여 고도를 감소시키고 열 연결을 개량합니다. 높 침투성 알파철 물자 (예를들면 3F4 또는 N87)는 몇몇 회전 및 더 낮은 핵심 손실을 허용합니다. 아주 조밀한 디자인을 위해, 통합 자석은 유도체와 변압기를 단일 구조로 결합하고, 공간 절약하고 상호 연결을 감소시킵니다. 연구자는 100 W/cm3의 위 힘 조밀도를 설명하고 자기적인 구조에 있는 ACductances를 사용하여 자기적인 구조 및 누설을 극소화하는 ACductances를 사용하여 다중층 구조에 100 W/cm3의 힘 조밀도를 극소화했습니다.

판자 변압기 디자인에 대한 자세한 내용은 ]TI의 적용 노트를 참조하십시오 planar 자기.

3. 넓은 밴갭 반도체

GaN 및 SiC 장치는 실리콘보다 더 빠르고 더 높은 전압을 처리하고 더 작은 수동태와 더 간단한 토폴란드를 가능하게합니다. 낮은 게이트 충전과 0 역 복구와 함께 GaN FETs는 스텁버와 열 싱크의 크기를 감소시킵니다. SiC MOSFETs는 서버 PSU 및 전기 차량 충전기와 같은 고전압 (>600 V) 응용 분야에서 우수한 성능을 발휘하며 작은 변압기 및 감소 냉각을 허용합니다. 무역 떨어져 비용이지만 볼륨 생산은 소형 ACFET (DC)를 사용하여 소형 ACFET (DC)를 사용하여 부피를 줄일 수 있습니다.

4. 능률적인 열 관리

열 추출은 동력 밀도에 대한 병목입니다. 1cm3 볼륨의 100W를 생성하는 PSU는 기존의 공기 냉각을 넘어 100 W / cm2의 열 플럭스 밀도가 필요합니다. 전략은 다음과 같습니다.

열관과 증기 챔버 외부 핀에 열을 퍼뜨기 위해.
Direct Liquid cooling)는 데이터 센터와 같은 고출력 밀도 응용 분야에 대한 마이크로 채널 냉판을 갖추고 있습니다.
입력 및 캡슐화 열전도 epoxies를 사용하여 인클로저에 열을 실시합니다.
Embedded heat sinks] 구리 동전 또는 알루미늄 코어 레이어를 사용하여 PCB 내에서.

열 시뮬레이션 (CFD) 및 이식 프로토 타이핑은 크기와 온도 상승에 필수적입니다. 일반적인 메트릭은 고밀도에 극소화되어야하는 주위 (RθJA)에 접합에서 열 저항입니다.

5. Proper 배치를 가진 다중층 PCB

컴팩트 PSU는 거의 항상 다중층 PCB (4-12 층)을 사용하여 전력 추적, 지상면 및 신호 층을 겹쳐 쌓입니다. 이것은 루프 인덕션을 줄이고 임베디드 수동 (버드 커패시터, 저항기)을 허용합니다. 긴 배치 기술은 다음과 같습니다.

전용 구리 비행기를 통해 출력되는 입력에서 높은 전류 경로를 최소화합니다.
전환 FET에 가능한 한 닫히는 디코딩 커패시터를 회반.
고주파 게이트 신호를 위한 제어 임피던스 추적을 사용하여.
noisy와 민감한 노드의 과잉을 방지하여 전자기 간섭 (EMI)을 줄일 수 있습니다.

잘 설계 된 레이아웃은 최대 30 %의 PCB 풋프린트를 감소시키고 효율성이 1 ~ 2 %로 향상 할 수 있습니다.

6. 통합 및 시스템 패키지 (SiP)

컨트롤러, FET 및 자기 통합 단일 패키지 (전력 모듈)로 극적으로 볼륨과 상호 연결 손실을 줄일 수 있습니다. Vicor, Infineon 및 Texas Instruments와 같은 회사는 하이브리드 기판 (LTCC, DBC)을 사용하여 구성 요소를 겹쳐 쌓이면서 >400 W / in3를 달성하는 "버스 변환기"모듈을 제공합니다. 사용자 정의 디자인의 경우, 기판 내부 또는 수동식으로 삽입 (조정 된 구성 요소 포장)은 PSU를 축소 할 수 있습니다.

파워 모듈 설계 개요를 위해 ]]PSMA의 기술 기사를 참조하십시오..

고출력 밀도를 위한 구성요소 선택

축전기: 크기 대 잔물결 현재

멀티레이어 세라믹 커패시터 (MLCCs)는 저전압 레일 (예 : 0402 패키지의 1 μF)에 대한 높은 용량 밀도를 제공합니다. 그러나, 그들의 전압 디스팅 및 온도 계수 (X5R, X7R)는 고려되어야합니다. 전해질 축전기, 폴리머 알루미늄 또는 탄탈륨 폴리머 유형은 표준 전해질보다 작은 캔에서 더 높은 잔류 전류 처리를 제공합니다. 고주파 입력 필터 스테이지의 경우, 필름 커패시터 (ESR)는 낮은 특성을 위해 낮은 특성을 선택했습니다.

유도체 및 변압기

높은 포화 플럭스 밀도 (예 : FeSi, FeNi 또는 무조직 / naanocrystalline)을 가진 핵심 재료는 작은 단면 영역을 허용합니다. Litz 와이어 또는 포일 권선은 고주파 AC 손실을 감소시킵니다. 초소형 디자인의 경우, 다중 위상 변환기를 위해 (예 : 다상 변환기)는 핵심을 공유하고 부품 카운트를 줄일 수 있습니다.

반도체: 실리콘을 넘어

언급했듯이, GaN 및 SiC는 선호됩니다. 빠른 몸 다이오드 또는 OptimOS 장치를 가진 CoolMOS를 사용하여 비용 제약 힘 실리콘은 여전히 이전 판자 MOSFETs와 비교된 조밀도를 개량할 수 있습니다. 저전압 (<100 V) POL 변환기를 위해, 활동적인 죔쇠 또는 GaN를 가진 통합 힘 단계는 몇몇 납품업자에게서 유효합니다.

고밀도의 고급 토폴로지

Topology 선택은 직접 성분 크기에 영향을 미칩니다. 고립된 AC-DC 전력 공급을 위해, LLC 공명한 변환기는 0 전압 엇바꾸기 (ZVS) 및 작은 자석 때문에 중간 힘 (200 W-2 kW)를 위해 대중적입니다. 더 높은 조밀도를 위해, 브리지 없는 totem 극 PFC 플러스 LLC 조합은 >97% 효율성을 달성할 수 있습니다. 비 격리한 DC-DC에서는, interleaved 다중 위상 buck 변환기는 더 빠른 잔류한 응답 및 일시적인 응답을 통해 유도체 크기를 감소시킵니다.

또 다른 유망한 토폴로지는 전환 손실 없이 효과적인 빈도를 증가하기 위하여 더 작은 축전기 및 스위치를 이용하는 비행 축전기 다단계 변환기입니다. 종합적인 비교를 위해, 체크 ] Topology 선택에 전력 전자공학의 기사 .

실용 도전과 무역의 날

높은 전력 밀도는 종종 다른 목적과 충돌 : 비용, EMI, 신뢰성 및 제조 가능성. 예를 들어, 주파수를 밀어보다는 자기 크기를 감소하지만 피부 효과 손실과 광선 EMI를 증가. 회의 실시 배출 제한 (CISPR 22) 볼륨을 추가 필터링을 필요로 할 수있다. 열 순환 및 핫 스팟은 시간 이상 커패시터 및 납땜 관절을 분해 할 수 있으므로, 감속 및 신뢰성 테스트가 필수입니다.

Dense 디자인의 레이아웃 패러시틱 인덕턴스는 전압의 오버워치와 링을 일으킬 수 있으며, 수작업을 필요로 하는 스누버를 필요로 합니다. 엔지니어들은 종종 시뮬레이션(FEA for Magnetics, CFD for Thermal, SPICE for Electrical) 및 실물 측정을 통해 실제 제약으로 성능이 균형을 이루는 디자인에 집중할 수 있습니다.

컴팩트 PSU의 미래 동향

이 제품은 다양한 유형의 자석을 사용하여, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

차세대 동력 밀도 데모를 살펴보면 Electronic Design의 로드맵을 1000 W/in3]로 볼 수 있습니다.