【導讀】消費電子的小型化、一體化，汽車(chē)和工業(yè)設備的智能化，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，系統設計面臨著(zhù)一個(gè)共同的難題：如何在有限的空間內實(shí)現更高的功率？
毫無(wú)疑問(wèn)，對于電源產(chǎn)品而言，不斷追求更高的功率密度和轉換效率是一個(gè)常講常新的話(huà)題，設計人員將持續在這方面埋首前行。今天，我們的話(huà)題也是圍繞功率密度展開(kāi)，包括提升功率密度的挑戰和方法，以及貿澤電子在售的，能夠幫助系統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)并不復雜，通常我們會(huì )把它量化為單位體積內的功率量，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形式
（圖源：TI）
很顯然，設計者的第一個(gè)想法會(huì )是通過(guò)縮小器件的體積來(lái)提升功率密度。要實(shí)現這一目標并不容易，無(wú)論是電源器件還是模塊方案，成熟設計中的部件都較為固定，且大都是必要的，同時(shí)散熱問(wèn)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。
雖然挑戰重重，不過(guò)近年來(lái)設計者們還是通過(guò)創(chuàng )新設計，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(lèi)到三個(gè)更細分的方向上。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，設計師們想到的方法是提升開(kāi)關(guān)頻率以及拓撲創(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(xiàn)框架能夠做到這一點(diǎn)。目前各大廠(chǎng)商都有自己拿手的、極具特色的封裝方式。第三個(gè)方向實(shí)際上更像是前面兩個(gè)方向的延伸，那就是集成，本質(zhì)是讓更多的元件出現在一個(gè)封裝中，因此需要在系統設計和封裝上面同時(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器件的內部，讓這一局部方案的體積明顯變小。
剛剛也講到了提升開(kāi)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更高的水平。實(shí)際上，更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的系統效率并不能畫(huà)等號，它們中間有一個(gè)關(guān)鍵的影響因素——開(kāi)關(guān)損耗。
如果設計者只是單純追求開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗也會(huì )通過(guò)系統功耗和散熱等問(wèn)題帶來(lái)懲罰。這個(gè)時(shí)候，設計者們就需要更高效率的拓撲及控制方式。到了這個(gè)階段，設計者們往往就需要在效率、體積和開(kāi)關(guān)頻率上面做平衡，比如設計者如果選擇了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，那么就能夠實(shí)現很高的開(kāi)關(guān)頻率，且開(kāi)關(guān)損耗很低，但額外增加的無(wú)源器件便使得系統方案在體積上有所妥協(xié)。
在功率器件領(lǐng)域，除了圍繞傳統硅器件本身做文章外，材料的創(chuàng )新有時(shí)也會(huì )帶來(lái)巨大的性能提升。比如，在談?wù)摴β拭芏葧r(shí)，GaN（氮化鎵）憑借零反向復原、低輸出電荷和高電壓轉換率等突出優(yōu)勢，能夠幫助廠(chǎng)商大幅提升系統密度，而另一種主流的寬帶隙半導體材料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，以及目前比較主流的一些實(shí)現方式。接下來(lái)，我們來(lái)看一下貿澤電子在售的一些出色元器件，它們是怎樣幫助系統提升功率密度的？
第一款器件為大家推薦來(lái)自制造商Vicor的一款非隔離式穩壓DC轉換器，貿澤電子上的制造商器件編號為DCM3717S60E14G5TN0。
圖2：DCM3717非隔離式穩壓DC轉換器
（圖源：Vicor）
DCM3717非隔離式穩壓DC轉換器是一款48V至負載點(diǎn)穩壓DC轉換器，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(zhuān)利的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）降壓-升壓穩壓器和正弦振幅轉換器（SAC），再輔助以SM-ChiP這種領(lǐng)先的封裝形式，DCM3717無(wú)論是器件本身，還是基于其打造的電源系統，都會(huì )是高功率密度的出色產(chǎn)品，適用于數據中心、高性能計算系統、汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)。
器件層面，如圖3所示，ZVS降壓-升壓穩壓器是DCM3717的第一級模塊。通過(guò)采用ZVS技術(shù)，DCM3717的開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1MHz，持續運行功率可達750W（62.5A），瞬時(shí)峰值功率可達900W（75A），峰值效率為97%。
圖3：DCM3717系統框圖
（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，在輕負載條件下，可以跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期，以顯著(zhù)降低柵極驅動(dòng)功率，并提高效率。同時(shí)，ZVS升降壓級還支持變頻操作，工作頻率可以根據需要從基本頻率降低，通過(guò)降低工作頻率或延長(cháng)每個(gè)開(kāi)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 )響應這種變頻操作。
通過(guò)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。而在其他測試條件下，這種高效表現都得以延續。
圖4：VOUT=10.0V，25°C下的效率表現
（圖源：Vicor）
圖5：VOUT=10.0V，100°C下的效率表現
（圖源：Vicor）
通常情況下，為實(shí)現高效率和高開(kāi)關(guān)頻率，軟開(kāi)關(guān)的使用一般會(huì )犧牲系統尺寸，而DCM3717作為一款緊湊的方案，37mm × 17mm × 7.4mm的封裝尺寸未見(jiàn)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(lái)了出色的功率密度，同時(shí)也提供了靈活的散熱管理選項，頂側和底側熱阻非常低。
方案層面，通過(guò)圖6和圖7可以非常直觀(guān)地感受到，由于器件本身的集成優(yōu)勢，典型應用電路的外圍電路非常簡(jiǎn)單，使客戶(hù)能夠達成以前無(wú)法實(shí)現的系統尺寸、重量和效率屬性，打造低成本、高效的電力系統解決方案。
圖6：DCM3717單模塊典型應用電路
（圖源：Vicor）
圖7：DCM3717雙模塊典型應用電路
（圖源：Vicor）
這種創(chuàng )新的器件設計和封裝形式打破了數據中心領(lǐng)域的“功率密度悖論（Power Density Paradox，PDP）”。此前部分企業(yè)在部署數據中心時(shí)，通過(guò)使用小尺寸、高密度的服務(wù)器和存儲產(chǎn)品追求更高的功率密度，然而密集緊湊的設備往往需要費用昂貴的冷卻設施才能正常工作，最終在成本和功耗方面都沒(méi)有得到實(shí)惠。
而造成“功率密度悖論”的一個(gè)重要原因就是設備中的功率器件只單純地追求小，忽略了散熱這個(gè)大問(wèn)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，再加上SM-ChiP封裝本身的高散熱效率，可以幫助設計者輕松解決“功率密度悖論”。
高功率密度的SiC溝槽式MOSFET
新材料也是廠(chǎng)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。
而接下來(lái)，我們將通過(guò)英飛凌另一款器件來(lái)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(xiàn)。圖8是一款英飛凌汽車(chē)用1200V SiC溝槽式MOSFET新品，貿澤電子的供應商器件編號為AIMW120R060M1HXKSA1。
圖8：AIMW120R060M1HXKSA1
（圖源：英飛凌）
AIMW120R060M1HXKSA1專(zhuān)為滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)對高效、可靠性、質(zhì)量和性能的高要求而設計。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)在系統方案方面，能夠幫助方案符合新法規對電動(dòng)汽車(chē)更高能效的要求。
根據制造工藝的差異，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(guò)20年的研發(fā)經(jīng)驗，英飛凌CoolSiC MOSFET技術(shù)可以帶來(lái)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柵極閾值電壓VGS(th)的調整，為了防止器件出現“誤導通”，英飛凌將VGS(th)重新設計在大于4V之上，從而降低了噪音帶來(lái)的“誤導通”。AIMW120R060M1HXKSA1的V為4.5V。
綜合而言，AIMW120R060M1HXKSA1的產(chǎn)品優(yōu)勢包括開(kāi)關(guān)中的低柵極電荷和器件電容、反并聯(lián)二極管無(wú)反向恢復損耗、與溫度無(wú)關(guān)的低開(kāi)關(guān)損耗，以及無(wú)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潛在的應用包括車(chē)載充電器/PFC、升壓/直流-直流轉換器以及輔助逆變器。為了方便工程師朋友從傳統的Si IGBT應用順利切換到SiC MOSFET，這款器件提供了和IGBT驅動(dòng)相兼容的電壓（導通電壓為18V），讓方案升級更容易。
當用于系統方案時(shí)，更高的開(kāi)關(guān)頻率意味著(zhù)AIMW120R060M1HXKSA1可幫助設計者減少磁性組件體積和重量達5%，系統的冷卻器件和耗能得以減少，一方面讓系統具有更高的功率密度，另一方面也幫助設計者顯著(zhù)降低應用成本。以輔助逆變器應用為例，在汽車(chē)EPS（電動(dòng)助力轉向）應用中，可以通過(guò)輔助逆變器來(lái)控制所需要的電動(dòng)機。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(wú)疑是解決問(wèn)題的好辦法。同時(shí)，其他需要輔助逆變器的應用，比如空調壓縮機、車(chē)載充電器、主動(dòng)底盤(pán)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(chē)節能環(huán)保的理念。
持續追求更高的功率密度
近幾年，追求更高的功率密度已經(jīng)成為電源系統工程的終極目標，設計師們圍繞開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)損耗、創(chuàng )新拓撲、高效集成、先進(jìn)封裝等多維度攀登高功率密度的山峰。在此過(guò)程中，包括數據中心、高性能運算、電動(dòng)汽車(chē)等下游應用大受裨益，能夠持續創(chuàng )造出前所未有的新市場(chǎng)。而具備高功率密度特性的元器件是這一切的基石。貿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)現自己方案高功率密度的目標。
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