【導讀】為什么提高功率密度是轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員的重要目標？不論是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等能源密集型系統(tǒng)，還是道路上越來越智能的車輛，為其供電的電源轉(zhuǎn)換電路需要能夠在更小的空間內(nèi)處理更大的功率。真的就是那么簡單。
為什么提高功率密度是轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員的重要目標？不論是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等能源密集型系統(tǒng)，還是道路上越來越智能的車輛，為其供電的電源轉(zhuǎn)換電路需要能夠在更小的空間內(nèi)處理更大的功率。真的就是那么簡單。
隨著我們對這些系統(tǒng)的要求越來越高，它們必須在相同或更短時間內(nèi)完成更多工作。根據(jù)定義，這意味著輸出更多功率。但是無論在數(shù)據(jù)中心還是車輛中都一樣，空間都非常寶貴。構(gòu)建更大的電路來處理更高功率通常不是最佳選擇方案。事實上，在提高功率和能源效率的同時，要顯著減小系統(tǒng)尺寸有較大壓力。因此，提高功率密度是設(shè)計人員的首要目標，與此相結(jié)合的另一目標是提高效率，以緩解增大的散熱挑戰(zhàn)。隨著世界越來越多地依賴可再生能源發(fā)電，這對于進一步節(jié)約能源也很重要。
電源系統(tǒng)設(shè)計中的寬帶隙技術(shù)
在可幫助實現(xiàn)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，雖然目前還沒有大規(guī)模采用，但在汽車領(lǐng)域，電動汽車新貴已經(jīng)是WBG 半導體的重要支持者。而且隨著這種趨勢的發(fā)展，知名品牌正在迅速采取行動，以確保其即將推出的全電動汽車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器件能夠顯著提高功率轉(zhuǎn)換效率，尤其是能夠以比相應(yīng)硅器件更高的開關(guān)頻率工作，同時還可以在更高溫度下可靠運行，從而緩解了熱管理挑戰(zhàn)，并可以減小冷卻系統(tǒng)的尺寸、重量和復雜性。
更快的開關(guān)速度還使更小的電路能夠處理相同甚至更大的功率。具體來說，以更高的頻率進行開關(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）來管理和平滑輸入和輸出電路中的能量流動，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(zhuǎn)換器，其典型開關(guān)頻率在幾十千赫茲范圍內(nèi)，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)過驗證，性能可靠，且最重要的是具有成本效益。然而，在這個頻率范圍之上，寄生效應(yīng)就會導致過多的電阻損耗和自生熱。
更多材料科學介紹
大多數(shù)領(lǐng)先的電力電子團隊都在開發(fā)基于SiC 功率晶體管的全新轉(zhuǎn)換器原型，我們一直在磁過程中保持與他們的合作。通過研究這些新功率開關(guān)技術(shù)對支持電路提出的新要求，使我們能夠開發(fā) KC-LINK 陶瓷電容器，該電容器是基于專有的高壓 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(nèi)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有變化。電容在整個溫度范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定。由于能夠在高達 150℃的溫度下工作，因此在高功率密度應(yīng)用中能夠靠近快速開關(guān)半導體進行安裝。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(yīng)用，包括用于400V 和 800V 的電動汽車電池系統(tǒng)。
我們還開發(fā)了一種瞬態(tài)液相燒結(jié) (TLPS)技術(shù)，這是一種非焊接互連技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸高電容 MLCC 無引線堆棧，并可利用class-I C0G 電介質(zhì)的溫度穩(wěn)定性來實現(xiàn)高功率應(yīng)用中無需冷卻即可達到 150℃甚至更高的工作溫度。
另一方面，WBG 在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的應(yīng)用一般是基于 GaN 技術(shù)。多年來，典型的開關(guān)頻率一直停留在 300kHz 左右，但隨著 GaN技術(shù)的出現(xiàn)而增加，盡管目前仍然只有大約 900kHz。在該領(lǐng)域，我們發(fā)現(xiàn)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(nèi)電流變化和在磁場中存儲能量的能力。
這是我們團隊已經(jīng)接受的另一個挑戰(zhàn)，而且我們已經(jīng)完全準備好宣布在材料科學方面的新解決方案。在保持高磁導率的同時，這種新材料針對 1～5MHz 頻率范圍內(nèi)最低損耗進行了優(yōu)化，因此可以提高基于 GaN 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。就像在 SiC 轉(zhuǎn)換器中一樣，提高開關(guān)頻率允許采用更小的電容和電感值，最終實現(xiàn)更高的功率密度。
提高電源開關(guān)頻率還有其他好處。可以大大降低保護主處理器等關(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，可以將一小部分 II 類 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目標是將鋁聚合物去耦電容器嵌入到封裝內(nèi)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(shè)計人員所面臨的去耦挑戰(zhàn)，并支持更高的轉(zhuǎn)換器頻率，未來可能高達 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(xiàn)，提高系統(tǒng)某一部分的性能可能會陷入僵局，需要設(shè)計人員更密切地關(guān)注系統(tǒng)的其他部分以進行持續(xù)改進。我們的材料部門為了開發(fā)第一個開關(guān)槽式（switched-tank）轉(zhuǎn)換器，特意制定了 U2J 陶瓷電介質(zhì)。通過增加定制電感器幾何形狀以減少磁芯損耗，這些轉(zhuǎn)換器極大地提高了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器分布式電源系統(tǒng)中 48V 到 12V 轉(zhuǎn)換的效率。
這些轉(zhuǎn)換器目前確定了 48V到12V 轉(zhuǎn)換效率的上限。當達到該限制時，關(guān)注點轉(zhuǎn)移到負載點 (POL) 轉(zhuǎn)換器上。在這里，高性能處理器和 FPGA 在低數(shù)字電源電壓和高時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(wěn)壓器會要求設(shè)計人員在瞬態(tài)響應(yīng)與紋波電流之間進行權(quán)衡。瞬態(tài)響應(yīng)會受到很大限制，因為所有相位都需要時間按順序穩(wěn)定。此外，這些多相穩(wěn)壓器不利于提高功率密度，因為在保持機械穩(wěn)定性的同時，減小電感器寬度變得不切實際。雙繞組、四端電感器使跨電感器穩(wěn)壓器 (TLVR) 的開發(fā)成為可能，其中所有相位能夠同時響應(yīng)以實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。 Yageo Group 旗下企業(yè)Pulse Electronics是 TLVR 電感器的市場領(lǐng)導者。
WBG 和噪聲發(fā)射
WBG 半導體的快速開關(guān)也給設(shè)計人員帶來了不想看到的挑戰(zhàn)：電氣噪聲輻射或 EMI/EMC。為了應(yīng)對這一設(shè)計挑戰(zhàn)，使轉(zhuǎn)換器和逆變器符合相關(guān)標準要求，KEMET 的磁性元件小組開發(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(nèi)提供寬帶性能。
未來展望
包括先進材料、新電路拓撲以及對電容器和電感器的新需求在內(nèi)，我們看到的所有進展彼此之間都相互關(guān)聯(lián)，正是這些因素的共同作用，才推動了能源效率提高和功率密度的不斷進步。但誰能知道，我們是否會在某個時間達到一個極限，再也不會有超過這個極限而進一步改進的可能？
（來源：YAGEO，作者：YAGEO旗下企業(yè) KEMET 應(yīng)用工程高級總監(jiān) Peter A. Blaise）
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