【導讀】為什么提高功率密度是轉換器設計人員的重要目標？不論是數據中心服務(wù)器等能源密集型系統，還是道路上越來(lái)越智能的車(chē)輛，為其供電的電源轉換電路需要能夠在更小的空間內處理更大的功率。真的就是那么簡(jiǎn)單。
為什么提高功率密度是轉換器設計人員的重要目標？不論是數據中心服務(wù)器等能源密集型系統，還是道路上越來(lái)越智能的車(chē)輛，為其供電的電源轉換電路需要能夠在更小的空間內處理更大的功率。真的就是那么簡(jiǎn)單。
隨著(zhù)我們對這些系統的要求越來(lái)越高，它們必須在相同或更短時(shí)間內完成更多工作。根據定義，這意味著(zhù)輸出更多功率。但是無(wú)論在數據中心還是車(chē)輛中都一樣，空間都非常寶貴。構建更大的電路來(lái)處理更高功率通常不是最佳選擇方案。事實(shí)上，在提高功率和能源效率的同時(shí)，要顯著(zhù)減小系統尺寸有較大壓力。因此，提高功率密度是設計人員的首要目標，與此相結合的另一目標是提高效率，以緩解增大的散熱挑戰。隨著(zhù)世界越來(lái)越多地依賴(lài)可再生能源發(fā)電，這對于進(jìn)一步節約能源也很重要。
電源系統設計中的寬帶隙技術(shù)
在可幫助實(shí)現更高功率密度的選項中，寬帶隙 (WBG) 半導體已迅速獲得業(yè)界主流采納。例如，雖然目前還沒(méi)有大規模采用，但在汽車(chē)領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)新貴已經(jīng)是WBG 半導體的重要支持者。而且隨著(zhù)這種趨勢的發(fā)展，知名品牌正在迅速采取行動(dòng)，以確保其即將推出的全電動(dòng)汽車(chē)具有更高競爭力和可比的性能。
以碳化硅 (SiC) 、氮化鎵 (GaN) 和其他技術(shù)為代表的WBG器件能夠顯著(zhù)提高功率轉換效率，尤其是能夠以比相應硅器件更高的開(kāi)關(guān)頻率工作，同時(shí)還可以在更高溫度下可靠運行，從而緩解了熱管理挑戰，并可以減小冷卻系統的尺寸、重量和復雜性。
更快的開(kāi)關(guān)速度還使更小的電路能夠處理相同甚至更大的功率。具體來(lái)說(shuō)，以更高的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作允許采用體積更小的相關(guān)組件（如電容器和電感器）來(lái)管理和平滑輸入和輸出電路中的能量流動(dòng)，這種優(yōu)勢已經(jīng)廣為人知，然而，除了需要較小的電容和電感之外，還有其它優(yōu)勢。
對于基于普通硅功率半導體器件的轉換器，其典型開(kāi)關(guān)頻率在幾十千赫茲范圍內，或者30～80kHz。在這些頻率下，可以采用被廣泛認可的聚丙烯電容器，而且，這種電容器經(jīng)過(guò)驗證，性能可靠，且最重要的是具有成本效益。然而，在這個(gè)頻率范圍之上，寄生效應就會(huì )導致過(guò)多的電阻損耗和自生熱。
更多材料科學(xué)介紹
大多數領(lǐng)先的電力電子團隊都在開(kāi)發(fā)基于SiC 功率晶體管的全新轉換器原型，我們一直在磁過(guò)程中保持與他們的合作。通過(guò)研究這些新功率開(kāi)關(guān)技術(shù)對支持電路提出的新要求，使我們能夠開(kāi)發(fā) KC-LINK 陶瓷電容器，該電容器是基于專(zhuān)有的高壓 C0G 電介質(zhì)，可確保極低的有效串聯(lián)電阻 (ESR) 和極低的熱阻。它們可以在低兆赫頻率范圍內以最小的損耗運行，并且可以處理非常高的紋波電流，而電容相對于直流電壓則沒(méi)有變化。電容在整個(gè)溫度范圍內也非常穩定。由于能夠在高達 150℃的溫度下工作，因此在高功率密度應用中能夠靠近快速開(kāi)關(guān)半導體進(jìn)行安裝。已經(jīng)面市的產(chǎn)品系列可提供從 500V 到 2000V 的額定電壓，涵蓋廣泛的應用，包括用于400V 和 800V 的電動(dòng)汽車(chē)電池系統。
我們還開(kāi)發(fā)了一種瞬態(tài)液相燒結 (TLPS)技術(shù)，這是一種非焊接互連技術(shù)，能夠實(shí)現小尺寸高電容 MLCC 無(wú)引線(xiàn)堆棧，并可利用class-I C0G 電介質(zhì)的溫度穩定性來(lái)實(shí)現高功率應用中無(wú)需冷卻即可達到 150℃甚至更高的工作溫度。
另一方面，WBG 在數據中心服務(wù)器的應用一般是基于 GaN 技術(shù)。多年來(lái)，典型的開(kāi)關(guān)頻率一直停留在 300kHz 左右，但隨著(zhù) GaN技術(shù)的出現而增加，盡管目前仍然只有大約 900kHz。在該領(lǐng)域，我們發(fā)現磁性元件的性能是主要限制因素。電感器有兩種損耗機制，包括繞組引起的電阻損耗以及鐵氧體或金屬復合磁芯加熱時(shí)的能量損耗。理想的做法是在不影響磁芯磁導率的情況下最大限度地減少磁芯損耗，磁芯磁導率決定了其抵抗電路內電流變化和在磁場(chǎng)中存儲能量的能力。
這是我們團隊已經(jīng)接受的另一個(gè)挑戰，而且我們已經(jīng)完全準備好宣布在材料科學(xué)方面的新解決方案。在保持高磁導率的同時(shí)，這種新材料針對 1～5MHz 頻率范圍內最低損耗進(jìn)行了優(yōu)化，因此可以提高基于 GaN 轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。就像在 SiC 轉換器中一樣，提高開(kāi)關(guān)頻率允許采用更小的電容和電感值，最終實(shí)現更高的功率密度。
提高電源開(kāi)關(guān)頻率還有其他好處?？梢源蟠蠼档捅Ｗo主處理器等關(guān)鍵部件所需的負載瞬態(tài)去耦電容。從歷史上看，這些電容都采用鉭或鋁聚合物電容器。減少對去耦電容的依賴(lài)，可以將一小部分 II 類(lèi) MLCC（例如 X5R、X6S 或 X7R 器件）直接放置在處理器附近。我們目前正在努力的下一個(gè)目標是將鋁聚合物去耦電容器嵌入到封裝內的芯片載體中，與片上硅電容器一起工作。這可以克服當今處理器設計人員所面臨的去耦挑戰，并支持更高的轉換器頻率，未來(lái)可能高達 10MHz 甚至更高。這些可能需要大約五年的工程努力。
我們還發(fā)現，提高系統某一部分的性能可能會(huì )陷入僵局，需要設計人員更密切地關(guān)注系統的其他部分以進(jìn)行持續改進(jìn)。我們的材料部門(mén)為了開(kāi)發(fā)第一個(gè)開(kāi)關(guān)槽式（switched-tank）轉換器，特意制定了 U2J 陶瓷電介質(zhì)。通過(guò)增加定制電感器幾何形狀以減少磁芯損耗，這些轉換器極大地提高了數據中心服務(wù)器分布式電源系統中 48V 到 12V 轉換的效率。
這些轉換器目前確定了 48V到12V 轉換效率的上限。當達到該限制時(shí)，關(guān)注點(diǎn)轉移到負載點(diǎn) (POL) 轉換器上。在這里，高性能處理器和 FPGA 在低數字電源電壓和高時(shí)鐘頻率組合控制下運行，導致電流需求迅速變化，并達到峰值。通常用于為這些 IC 供電的多相穩壓器會(huì )要求設計人員在瞬態(tài)響應與紋波電流之間進(jìn)行權衡。瞬態(tài)響應會(huì )受到很大限制，因為所有相位都需要時(shí)間按順序穩定。此外，這些多相穩壓器不利于提高功率密度，因為在保持機械穩定性的同時(shí)，減小電感器寬度變得不切實(shí)際。雙繞組、四端電感器使跨電感器穩壓器 (TLVR) 的開(kāi)發(fā)成為可能，其中所有相位能夠同時(shí)響應以實(shí)現更快的瞬態(tài)響應。 Yageo Group 旗下企業(yè)Pulse Electronics是 TLVR 電感器的市場(chǎng)領(lǐng)導者。
WBG 和噪聲發(fā)射
WBG 半導體的快速開(kāi)關(guān)也給設計人員帶來(lái)了不想看到的挑戰：電氣噪聲輻射或 EMI/EMC。為了應對這一設計挑戰，使轉換器和逆變器符合相關(guān)標準要求，KEMET 的磁性元件小組開(kāi)發(fā)了用于 EMI 共模扼流圈（Common Mode Chokes）的納米晶芯材料，該材料能夠在更小的封裝內提供寬帶性能。
未來(lái)展望
包括先進(jìn)材料、新電路拓撲以及對電容器和電感器的新需求在內，我們看到的所有進(jìn)展彼此之間都相互關(guān)聯(lián)，正是這些因素的共同作用，才推動(dòng)了能源效率提高和功率密度的不斷進(jìn)步。但誰(shuí)能知道，我們是否會(huì )在某個(gè)時(shí)間達到一個(gè)極限，再也不會(huì )有超過(guò)這個(gè)極限而進(jìn)一步改進(jìn)的可能？
（來(lái)源：YAGEO，作者：YAGEO旗下企業(yè) KEMET 應用工程高級總監 Peter A. Blaise）
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