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電子元件

功率密度基礎技術簡介

  2020年08月21日  

  功率密度在現代電力輸送解決方案中的重要性和價值不容忽視。

  為了更好地理解高功率密度設計的基本技術,在本文中,我將研究高功率密度解決方案的四個重要方面:

  · 降低損耗。

  · 最優拓撲和控制選擇

  · 有效的散熱。

  · 通過機電元件集成來減小系統體積

  我還將演示如何與TI合作,使用先進的技術能力和產品來實現這四個方面,幫助您改進并達到功率密度值。

  首先,讓我們來定義功率密度,并著重了解一些根據功率密度值比較解決方案時的細節。

什么是功率密度?

  對于電源管理應用程序而言,功率密度的定義似乎非常簡單:它指的是轉換器的額定(或標稱)輸出功率除以轉換器所占體積,如圖1所示。

  圖1:計算功率密度很容易,但如何定義標稱功率和體積通常會導致歧義。

  但如果您想根據功率密度比較電源,則需要對這個簡單的定義作出充分的說明。

  這里的輸出功率是指轉換器在最壞的環境條件下可以提供的連續輸出功率。環境溫度、最大可接受外殼溫度、方向、海拔高度和預期壽命都可能會影響相關功率能力。

  同樣,您可以根據轉換器的應用和結構,以多種不同的方式定義電源容量。一些變量可能會顯著影響容量,從而影響所報告的電源功率密度:包含或排除電磁干擾濾波器、風扇、外殼要求以及輸入和輸出儲能電容器。這些通常是需要的,但不是許多模塊化電源的一部分。因此,在比較文獻報道的功率密度數據時,必須了解并考慮這些變量。

  如需更多信息,請下載白皮書“提供功率密度的利弊權衡及所需技術”

功率密度的歷史

  讓我們簡短地回顧一下,看看功率密度的魅力從何而來,以及這一趨勢是如何開始的。

  從開關模式電源轉換的早期發展以來,效率一直是電力技術創新的驅動力。依賴于輸入輸出電壓比以及少數可用拓撲的開關模式功率轉換器,可以打破線性電源的確定性效率。

  自20世紀90年代初以來,在個人計算機和電子、電信和半導體技術進步的推動下,提高效率的需求大大加快。如圖2所示,功率解決方案效率的提高促進了功率密度的不斷進步。

  圖2:在電力輸送應用中,效率和功率密度是緊密耦合的。

  能源危機的浪潮以及隨之出現的監管要求使得效率成為電力系統的一個更重要的屬性,特別是對于節能和總體擁有成本而言。

  近十年來,高功率密度已被公認為是電力系統工程的終極巔峰。

如何實現高功率密度

  為了更好地理解對功率密度的關注,讓我們看看實現高功率密度所需的條件。即使是外行也能看出,效率、尺寸和功率密度之間的特殊關系是顯而易見的。

  效率被認為是實現高功率密度的“把關人”,因為降低器件的熱量至關重要。如要利用更高的效率,必須縮小解決方案的體積(換句話說,尺寸必須縮小)。同時實現高效率和小尺寸則需要一種能夠在高工作頻率下高效工作的解決方案。這種解決方案尤其應該考慮:

  · 降低開關損耗。一種可以提供低導通和低開關損耗的開關元件。

  · 拓撲、控制和電路設計。您需要正確的拓撲結構才能在高開關頻率下工作。基于所應用的控制技術,考慮到大多數轉換器拓撲可以在不同的模式下工作,例如傳統的方波脈沖寬度調制、零電壓或零電流轉換或全諧振模式,控制方法和創新的電路實現也很重要。

  · 集成。高工作頻率對無源元件的縮放效應可以縮小功率轉換器的尺寸。但是,功率密度難題中還有另一個非常重要的部分——集成,見于在硅技術中通過單片整合電源、控制元件。在半導體器件方面,設計人員正在使用集成多個半導體裸片的多芯片模塊技術,在許多情況下甚至是無源器件、電容器和磁性組件。轉換器及其外殼的機械和印刷電路板設計無疑是實現高功率密度的關鍵因素。

  · 更佳的熱性能。TI的增強封裝和先進的引線框架技術在最大限度地減小外部冷卻面和實際硅溫度之間的溫度梯度方面發揮著重要作用。這些技術以及相應的建模和優化能力提供了更佳的熱性能。這不僅可以幫助實現高功率密度設計,而且可以長期、可靠地運行TI的半導體器件。

  這四種基礎技術的結合是成功完成高功率密度設計的基礎。因此,您可以像查看成績單一樣查看所實現的功率密度,從而對設計人員應用最合適半導體技術的程度進行評定,以及查看他們是否選擇了正確的拓撲結構、控制方法、機械設計、熱管理及集成策略。

結論

  如果真的想了解功率密度為何舉足輕重,除了把它看作是電力工程的技術優勢外,您還得看看整個行業和社會如何從更高的功率密度中獲益。

  例如,更小的物理尺寸通常等同于更少的原材料用量,這意味著更低的材料成本。同樣,更小的尺寸和更少的材料可能會使重量減輕,這在運輸領域的電力系統中是非常有價值的屬性,可以節省燃料或延長運輸距離。最后,隨著功率密度的提高,小型化的可能性也隨之增加。推動這一方面向縱深發展,使得電力轉換行業能夠創造出前所未有的新市場。

  正如這些例子所示,功率密度非常重要,因為它在系統層面為制造商、用戶或運營商帶來明確的經濟優勢。所有的這些優勢都能以較低的總擁有成本得到證明。

(作者:Laszlo Balogh)

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