如何提高系統(tǒng)功率密度

消費(fèi)電子的小型化、一體化，汽車和工業(yè)設(shè)備的智能化，幾乎都是各行業(yè)不可逆的發(fā)展趨勢。在這樣的大趨勢下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨著一個(gè)共同的難題：如何在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率？

毫無疑問，對于電源產(chǎn)品而言，不斷追求更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)常講常新的話題，設(shè)計(jì)人員將持續(xù)在這方面埋首前行。今天，我們的話題也是圍繞功率密度展開，包括提升功率密度的挑戰(zhàn)和方法，以及貿(mào)澤電子在售的，能夠幫助系統(tǒng)方案提升功率密度的優(yōu)秀元器件。

提高功率密度的方法論

要解釋何為功率密度其實(shí)并不復(fù)雜，通常我們會(huì)把它量化為單位體積內(nèi)的功率量，如圖1所示，也就是器件的額定功率除以器件體積所得到的數(shù)值，單位為瓦/立方米（W/m3）或瓦/立方英寸（W/in3）。

圖1：功率密度常用的表現(xiàn)形式

（圖源：TI）

很顯然，設(shè)計(jì)者的第一個(gè)想法會(huì)是通過縮小器件的體積來提升功率密度。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不容易，無論是電源器件還是模塊方案，成熟設(shè)計(jì)中的部件都較為固定，且大都是必要的，同時(shí)散熱問題也不允許粗暴地將冷卻部件抹除，或者僅僅將部件拼湊在一起。

雖然挑戰(zhàn)重重，不過近年來設(shè)計(jì)者們還是通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在器件或者方案體積上面做足了文章，截止到目前，我們可以將這些創(chuàng)新歸類到三個(gè)更細(xì)分的方向上。首先是減少大尺寸電感器、大尺寸電容器的使用。在電源方案中，這些被動(dòng)元件往往會(huì)占據(jù)很大的空間，是整體方案變大的主要因素之一。為了盡可能減小被動(dòng)元件的影響，設(shè)計(jì)師們想到的方法是提升開關(guān)頻率以及拓?fù)鋭?chuàng)新等。其次是減少散熱部件的使用。事實(shí)證明更好的封裝形式和先進(jìn)的引線框架能夠做到這一點(diǎn)。目前各大廠商都有自己拿手的、極具特色的封裝方式。第三個(gè)方向?qū)嶋H上更像是前面兩個(gè)方向的延伸，那就是集成，本質(zhì)是讓更多的元件出現(xiàn)在一個(gè)封裝中，因此需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和封裝上面同時(shí)想辦法。一個(gè)具有代表性的例子是將反饋電路集成到隔離式DC/DC器件的內(nèi)部，讓這一局部方案的體積明顯變小。

剛剛也講到了提升開關(guān)頻率這一點(diǎn)，它其實(shí)也關(guān)乎到提升功率密度的另一條路徑——以提升效率為主要手段讓器件的額定功率到達(dá)更高的水平。實(shí)際上，更高的開關(guān)頻率和更高的系統(tǒng)效率并不能畫等號，它們中間有一個(gè)關(guān)鍵的影響因素——開關(guān)損耗。

如果設(shè)計(jì)者只是單純追求開關(guān)頻率的提高，確實(shí)能夠在輸出電感和寄生電容等方面嘗到甜頭，但是開關(guān)損耗也會(huì)通過系統(tǒng)功耗和散熱等問題帶來懲罰。這個(gè)時(shí)候，設(shè)計(jì)者們就需要更高效率的拓?fù)浼翱刂品绞健５搅诉@個(gè)階段，設(shè)計(jì)者們往往就需要在效率、體積和開關(guān)頻率上面做平衡，比如設(shè)計(jì)者如果選擇了軟開關(guān)技術(shù)，那么就能夠?qū)崿F(xiàn)很高的開關(guān)頻率，且開關(guān)損耗很低，但額外增加的無源器件便使得系統(tǒng)方案在體積上有所妥協(xié)。

在功率器件領(lǐng)域，除了圍繞傳統(tǒng)硅器件本身做文章外，材料的創(chuàng)新有時(shí)也會(huì)帶來巨大的性能提升。比如，在談?wù)摴β拭芏葧r(shí)，GaN（氮化鎵）憑借零反向復(fù)原、低輸出電荷和高電壓轉(zhuǎn)換率等突出優(yōu)勢，能夠幫助廠商大幅提升系統(tǒng)密度，而另一種主流的寬帶隙半導(dǎo)體材料SiC（碳化硅）也是提升功率密度的上佳選擇。

高功率密度電源系統(tǒng)的理想之選

上述我們談到了提升電源功率密度的重要性，并進(jìn)一步解讀了提升功率密度會(huì)遇到的挑戰(zhàn)，以及目前比較主流的一些實(shí)現(xiàn)方式。接下來，我們來看一下貿(mào)澤電子在售的一些出色元器件，它們是怎樣幫助系統(tǒng)提升功率密度的？

第一款器件為大家推薦來自制造商Vicor的一款非隔離式穩(wěn)壓DC轉(zhuǎn)換器，貿(mào)澤電子上的制造商器件編號為DCM3717S60E14G5TN0。

圖2：DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC轉(zhuǎn)換器

（圖源：Vicor）

DCM3717非隔離式穩(wěn)壓DC轉(zhuǎn)換器是一款48V至負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓DC轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入范圍：40VDC至60VDC，和寬輸出范圍：10VDC至13.5VDC。憑借Vicor獲得專利的零電壓開關(guān)（ZVS）降壓-升壓穩(wěn)壓器和正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC），再輔助以SM-ChiP這種領(lǐng)先的封裝形式，DCM3717無論是器件本身，還是基于其打造的電源系統(tǒng)，都會(huì)是高功率密度的出色產(chǎn)品，適用于數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算系統(tǒng)、汽車和工業(yè)市場。

器件層面，如圖3所示，ZVS降壓-升壓穩(wěn)壓器是DCM3717的第一級模塊。通過采用ZVS技術(shù)，DCM3717的開關(guān)頻率超過1MHz，持續(xù)運(yùn)行功率可達(dá)750W（62.5A），瞬時(shí)峰值功率可達(dá)900W（75A），峰值效率為97%。

圖3：DCM3717系統(tǒng)框圖

（圖源：Vicor）

為了盡可能地提供高效率，DCM3717中的ZVS升降壓級具有遲滯脈沖跳躍模式，在輕負(fù)載條件下，可以跳過開關(guān)周期，以顯著降低柵極驅(qū)動(dòng)功率，并提高效率。同時(shí)，ZVS升降壓級還支持變頻操作，工作頻率可以根據(jù)需要從基本頻率降低，通過降低工作頻率或延長每個(gè)開關(guān)周期，從而保持高效率。DCM3717中的第二級，也就是電流倍增級也會(huì)響應(yīng)這種變頻操作。

通過圖4和圖5能夠看出，在VOUT=10.0V，溫度為25°C和100°C情況下，DCM3717都可以有97%峰值效率的高效表現(xiàn)。而在其他測試條件下，這種高效表現(xiàn)都得以延續(xù)。

圖4：VOUT=10.0V，25°C下的效率表現(xiàn)

（圖源：Vicor）

圖5：VOUT=10.0V，100°C下的效率表現(xiàn)

（圖源：Vicor）

通常情況下，為實(shí)現(xiàn)高效率和高開關(guān)頻率，軟開關(guān)的使用一般會(huì)犧牲系統(tǒng)尺寸，而DCM3717作為一款緊湊的方案，37mm × 17mm × 7.4mm的封裝尺寸未見絲毫妥協(xié)。其中一部分功勞要給到SM-ChiP封裝，這種創(chuàng)新的封裝形式不僅讓ZVS和SAC帶來了出色的功率密度，同時(shí)也提供了靈活的散熱管理選項(xiàng)，頂側(cè)和底側(cè)熱阻非常低。

方案層面，通過圖6和圖7可以非常直觀地感受到，由于器件本身的集成優(yōu)勢，典型應(yīng)用電路的外圍電路非常簡單，使客戶能夠達(dá)成以前無法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)尺寸、重量和效率屬性，打造低成本、高效的電力系統(tǒng)解決方案。

圖6：DCM3717單模塊典型應(yīng)用電路

（圖源：Vicor）

圖7：DCM3717雙模塊典型應(yīng)用電路

（圖源：Vicor）

這種創(chuàng)新的器件設(shè)計(jì)和封裝形式打破了數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的“功率密度悖論（Power Density Paradox，PDP）”。此前部分企業(yè)在部署數(shù)據(jù)中心時(shí)，通過使用小尺寸、高密度的服務(wù)器和存儲(chǔ)產(chǎn)品追求更高的功率密度，然而密集緊湊的設(shè)備往往需要費(fèi)用昂貴的冷卻設(shè)施才能正常工作，最終在成本和功耗方面都沒有得到實(shí)惠。

而造成“功率密度悖論”的一個(gè)重要原因就是設(shè)備中的功率器件只單純地追求小，忽略了散熱這個(gè)大問題。而DCM3717在追求高效、集成的同時(shí)，提供了靈活的散熱管理選項(xiàng)，再加上SM-ChiP封裝本身的高散熱效率，可以幫助設(shè)計(jì)者輕松解決“功率密度悖論”。

高功率密度的SiC溝槽式MOSFET

新材料也是廠商提升器件功率密度的一個(gè)重要手段。我們在技術(shù)創(chuàng)新的部分用GaN進(jìn)行了舉例，大家可以借助英飛凌的IGO60R070D1AUMA1對此深入了解，感受產(chǎn)品的高功率密度表現(xiàn)。

而接下來，我們將通過英飛凌另一款器件來介紹，SiC技術(shù)同樣是一種提升器件功率密度的優(yōu)質(zhì)路線。圖8是一款英飛凌汽車用1200V SiC溝槽式MOSFET新品，貿(mào)澤電子的供應(yīng)商器件編號為AIMW120R060M1HXKSA1。

圖8：AIMW120R060M1HXKSA1

（圖源：英飛凌）

AIMW120R060M1HXKSA1專為滿足汽車行業(yè)對高效、可靠性、質(zhì)量和性能的高要求而設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，受益于英飛凌CoolSiC MOSFET技術(shù)，這款器件不僅本身具有更高的功率密度，同時(shí)在系統(tǒng)方案方面，能夠幫助方案符合新法規(guī)對電動(dòng)汽車更高能效的要求。

根據(jù)制造工藝的差異，SiC器件會(huì)有平面式和溝槽式兩種主流的方式。英飛凌CoolSiC MOSFET技術(shù)屬于后者，其優(yōu)勢是更容易達(dá)到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。憑借在SiC超過20年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，英飛凌CoolSiC MOSFET技術(shù)可以帶來出色的性能、可靠性和易用性。在此特別提一下英飛凌對于基準(zhǔn)柵極閾值電壓VGS(th)的調(diào)整，為了防止器件出現(xiàn)“誤導(dǎo)通”，英飛凌將VGS(th)重新設(shè)計(jì)在大于4V之上，從而降低了噪音帶來的“誤導(dǎo)通”。AIMW120R060M1HXKSA1的V為4.5V。

綜合而言，AIMW120R060M1HXKSA1的產(chǎn)品優(yōu)勢包括開關(guān)中的低柵極電荷和器件電容、反并聯(lián)二極管無反向恢復(fù)損耗、與溫度無關(guān)的低開關(guān)損耗，以及無閾值通態(tài)特性等，因此該器件具有出色的功率密度、頻率和效率。

AIMW120R060M1HXKSA1潛在的應(yīng)用包括車載充電器/PFC、升壓/直流-直流轉(zhuǎn)換器以及輔助逆變器。為了方便工程師朋友從傳統(tǒng)的Si IGBT應(yīng)用順利切換到SiC MOSFET，這款器件提供了和IGBT驅(qū)動(dòng)相兼容的電壓（導(dǎo)通電壓為18V），讓方案升級更容易。

當(dāng)用于系統(tǒng)方案時(shí)，更高的開關(guān)頻率意味著AIMW120R060M1HXKSA1可幫助設(shè)計(jì)者減少磁性組件體積和重量達(dá)5%，系統(tǒng)的冷卻器件和耗能得以減少，一方面讓系統(tǒng)具有更高的功率密度，另一方面也幫助設(shè)計(jì)者顯著降低應(yīng)用成本。以輔助逆變器應(yīng)用為例，在汽車EPS（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）應(yīng)用中，可以通過輔助逆變器來控制所需要的電動(dòng)機(jī)。在智能座艙的趨勢下，各個(gè)功能器件可以使用的空間都明顯縮小，而AIMW120R060M1HXKSA1無疑是解決問題的好辦法。同時(shí)，其他需要輔助逆變器的應(yīng)用，比如空調(diào)壓縮機(jī)、車載充電器、主動(dòng)底盤控制等也可以受益于這一優(yōu)勢，此外重量的減輕則契合了汽車節(jié)能環(huán)保的理念。

持續(xù)追求更高的功率密度

近幾年，追求更高的功率密度已經(jīng)成為電源系統(tǒng)工程的終極目標(biāo)，設(shè)計(jì)師們圍繞開關(guān)頻率、開關(guān)損耗、創(chuàng)新拓?fù)洹⒏咝Ъ伞?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%85%88%E8%BF%9B%E5%B0%81%E8%A3%85/">先進(jìn)封裝等多維度攀登高功率密度的山峰。在此過程中，包括數(shù)據(jù)中心、高性能運(yùn)算、電動(dòng)汽車等下游應(yīng)用大受裨益，能夠持續(xù)創(chuàng)造出前所未有的新市場。而具備高功率密度特性的元器件是這一切的基石。貿(mào)澤電子提供了豐富的元器件可用于提升方案的功率密度，幫助工程師朋友用更低的總擁有成本實(shí)現(xiàn)自己方案高功率密度的目標(biāo)。

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