了解上下文中的权力密度

电密度以每立方英寸(W/in3)或每立方厘米(W/cm3)的瓦特计量,将供应量按单位体积计算可提供电量,对于紧凑的供电装置(PSU),高电密度意味着工程师可以将更多的瓦特装入较小的足迹,这对于现代电子设备,如笔记本电脑、医疗设备、电信设备和工业自动化至关重要,下一代PSU的工业目标往往超过50W/cm3,驱动每个子系统从半导体到热管理的创新,而实现这种数量需要采取一种同时解决电、热和机械限制的全面办法。

高功率核心设计战略

1. 高频行动

提高电源转换器的切换频率可以降低磁元件(变压器,插管)和电容器的物理尺寸. 现代的氮化 ⁇ (GaN)和碳化硅(SiC)场效应晶体管(FET)可以在MHz射程频率上切换,损失比传统的硅MOSFET要小. 例如,1MHz设计可以比100千赫设计缩小一个导管芯体积的系数,但假设的是相同的当前波纹要求. 然而,更高的频率也增加了切换损失,并对管理寄生管的排版要求更严格. 仔细设计闸门驱动器和 ⁇ 对保持效率至关重要.

2. 先进的磁学和平面变压器

磁性组件通常在PSU的体积中占主导地位. 使用带有刻制PCB的变压器降低高度,改善热耦合. 高渗透性发酵材料(如3F4或N87)允许较少转弯,降低核心损失. 对于非常紧凑的设计,集成磁性将导电器和变压器结合为单一结构,节省空间,减少互联. 研究人员通过多层的有间叶的电磁结构,证明了功率密度超过100 W/cm3,以尽量减少AC阻力和泄漏导电.

关于平面变压器设计的更多细节,见TI关于平面磁的应用说明.

3. 宽边边形半导体

GAN和SIC设备比硅换电更快,处理的电压更高,使得被动电量较小,地形也更简便. GAN FET,其低门电荷和零反向回收,减少了 ⁇ 和热汇的大小. SIC MOSFET在服务器PSU和电动车充电机等高压(>600 V)应用中表现突出,它们允许变压器较小,冷却减少,权衡成本,但体积生产正在缩小差距. 对于紧凑的AC-DC转换器,在图腾电系数校正(PFC)级使用GAN可以消除大块二极管桥,节省大量体积.

4. 高效热管理

热提取是动力密度的瓶颈。在1厘米3的体积中产生100瓦损失的PSU需要100瓦/立方厘米的热通量密度,远超常规空气冷却。策略包括:

  • ]热管和蒸汽室[将热量从热点传播到外鳍.
  • 直流液冷却[,微通道冷板,用于数据中心等高功率密度应用.
  • 装有热导电栓的发热和封装[,以导热到闭塞.
  • 多氯联苯内部的嵌入热汇使用铜币或铝芯层.

热模拟和迭代原型对平衡体积和温度上升至关重要。 一个常见的衡量标准是从交叉点到环境的热阻(RQJA),而高密度的热阻必须最小化。

5. 具有适当布局的多层多氯联苯

压缩式PSU几乎总是使用多层多氯联苯(4–12层)来堆叠电源痕迹、地面平面和信号层。 这减少了循环导线,并允许嵌入式被动(布置电容器、电阻器)。

  • 通过专用铜平面将从输入到输出的高流路径最小化.
  • 将电容器尽可能靠近切换FET.
  • 使用受控阻断痕迹进行高频门信号.
  • 避免吵闹和敏感节点的重叠,以减少电磁干扰(EMI).

设计良好的布局可以将多氯联苯足迹减少30%,同时提高效率1-2 %。

6. 整合和系统包(SiP)

将控制器,FET,和磁性集成到一个单一包(power module)中,能大大减少体积和互联损失. Vicor,Infineon,和德克萨斯仪器等公司提供"巴士转换器"模块,通过垂直堆放组件和使用混合底物(LDC,DBC)实现>400 W/in3. 对于定制设计,将裸死或被动置入PCB(嵌入组件包装)可以进一步缩小PSU.

关于动力舱设计概况,见PSMA关于动力舱设计的技术文章.

高功率密度组件选择

电容: 大小对电流

多层陶瓷电容器(MLCC)为低压电轨提供了高电容密度(如0402包中的1μF),但是,必须考虑其电压的破损和温度系数(X5R,X7R),对于电解电容器,聚合铝或钽聚合物类型,在较小的罐体中提供比标准电解质更高的波纹电流处理,对于高频输入滤波级,为低电压和自热特性选择胶膜电容器(类似聚丙烯).

进取器和变形器

饱和度通量密度高的核心文件(如FeSi,FeNi,或非形态/无晶线)允许较小的截面区域. 利兹线或螺旋风能降低高频AC损失. 对于超共性设计,结合导体(如多相转换器)可以共享核心并减少部分计数.

半导体: 硅以外

如前所述,GAN和SIC更受青睐. 当成本约束迫使硅时,使用带有快速车身二极管或OptimOS设备的CoolMOS仍然可以与较老的平面板MOSFET相比提高密度. 对于低压(<100 V)POL转换器,有多个销售商提供带有主动夹子或GAN的综合动力级.

高密度高级地形

地形选择直接影响到组件大小。对于孤立的AC-DC供电,由于零压切换(ZVS)和小磁性,LLC共振器对中功率(200 W-2 kW)很受欢迎。 对于密度较高的,无桥图腾波勒PFC和LLC组合可以实现>97%的效率。 在非同位素的DC-DC中,互离多相制动的电阻转换器通过波解取消和更快的瞬间反应来减少导体大小。

另一个有希望的地形学是飞行电容器多层转换器,它使用较小的电容器和开关来增加有效频率而不增加切换损失. 为了进行全面比较,检查Power Electronics关于地形学选择的文章.

实际挑战和权衡

高功率密度往往与其他目标冲突:成本、EMI、可靠性和可制造性。 比如,推高频率会降低磁力大小,但增加皮肤效应损失和辐射性EMI。 进行的排放限制(CISPR 22)可能需要额外的过滤,从而增加体积。 热循环和热点会随着时间的推移使电容器和焊接器发生降解,因此,必须进行定值和可靠性测试。

密集设计中的布局寄生素可以引起电压过量和振铃,需要用稀释剂来浪费电源. 工程师们常常在模拟(FEA用于磁学,CFD用于热学,SPICE用于电学)和原型测量之间相互间进行迭接,以在设计上求得平衡性能与实际制约.

契约性方案股的未来趋势

动力密度的推力随着3D包装(sacked die),GaN-on-Si集成,以及高级门驱动器等趋势而持续. 使用垂直集成,如死堆与通过硅通道(TSV),可以减少互联损失和寄生导电. 多轨转换器共享一个磁芯,为负载点应用而出现,另外,具有实时优化的数控可以动态调整频率或相位以适应负载变化,提高轻载效率而不会牺牲密度.

有关下一代动力密度演示的查看,见电子设计到1000 W/in3的路线图.

结论

实现紧凑供电装置的高功率密度是一项多学科工程挑战,需要仔细选择地形、半导体、磁材料和热管理策略。 通过利用宽带装置、平板磁、高频操作和智能布局,设计者今天可以在实用产品中交付100多瓦/立方厘米。 关键在于平衡效率、成本、EMI和可靠性之间的权衡,同时推动热散热的极限。 随着包装和半导体技术的不断推进,明天的PSU将更加小,为各种大小的更便携、更强大、更高效的电子设备铺平道路。