【導(dǎo)讀】高效的電源管理包括增加電子設(shè)備的功率傳輸能力，同時最大限度地減少損耗并保持信號完整性。
當(dāng)今各行各業(yè)都需要速度更快、效率更高的電子產(chǎn)品，以便能夠快速處理大量數(shù)據(jù)，但這一需求是以增加功耗為代價的，這就大大增加了運(yùn)行這些電子系統(tǒng)所產(chǎn)生的費(fèi)用。
在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心中，電費(fèi)約占總運(yùn)行費(fèi)用的45%。一個中等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心可能需要大約50MW的電力容量，這足以為4000戶家庭供電。由于這些能量是使用大量不可再生資源所產(chǎn)生的，消耗這些能量就給環(huán)境帶來了很大的壓力。因此，我們需要利用高效的電源管理解決方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
電動汽車(EV)和智能手機(jī)等行業(yè)則一直在研究延長其產(chǎn)品電池壽命的技術(shù)。如今的消費(fèi)者需要提供不間斷的服務(wù)，同時又要做到更便宜、更安全和更高效。因此，電源管理已成為當(dāng)今的一個重要領(lǐng)域，研究人員致力于通過提高工作頻率并同時最大限度地減少損耗來提高半導(dǎo)體IC的功率密度。他們正在開發(fā)基于氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的IC來幫助實(shí)現(xiàn)高頻操作。除此之外，許多領(lǐng)先電子元器件制造商也正在使用改進(jìn)的工藝、封裝和電路設(shè)計技術(shù)來滿足電源管理的產(chǎn)業(yè)需求。電源管理包括提高功率密度、減少電磁干擾，以及在存在高壓線的情況下保持電源和信號的完整性。
高效的電源管理包括增加電子設(shè)備的功率傳輸能力，同時最大限度地減少損耗并保持信號完整性。制造商們正在尋求利用五個主要趨勢，以便為消費(fèi)者提供最先進(jìn)的電子產(chǎn)品來滿足他們的需求。這五個趨勢是：增加功率密度；降低靜態(tài)電流(IQ)；降低電磁干擾(EMI)；降低噪聲以提高精度；通過隔離提高在高壓(HV)下工作時的安全性。欲知詳情，請點(diǎn)擊文章鏈接閱讀。
AC/DC電源兩大重要趨勢：體積縮小和軟件定義
就AC/DC電源而言，無論是開放式還是封閉式，甚至是臺式適配器，面向醫(yī)療應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用的最新的電源設(shè)備都有一些共同點(diǎn)：它們提供了更小的解決方案尺寸并實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度，同時提供更高的效率。
此外，許多電源制造商也正在推出更多靈活的方案，以滿足廣泛的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。冷卻和并聯(lián)電源的功能也是重要因素。毫不奇怪，這些AC/DC電源還符合各種安全認(rèn)證，并且可以在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。
《AC/DC電源尺寸在繼續(xù)縮小》一文中介紹了一系列滿足醫(yī)療電源和工業(yè)電源要求的AC/DC電源。在某些情況下，它們甚至能滿足這兩個細(xì)分市場的要求。
有關(guān)AC/DC電源的另一個話題是，傳統(tǒng)上，AC/DC電源設(shè)計只能針對特定負(fù)載和線路條件進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)榻?jīng)典模擬控制和簡單脈寬調(diào)制技術(shù)通常采用固定頻率工作，這就會導(dǎo)致在極端工作條件下產(chǎn)生更高的元器件應(yīng)力。
電源數(shù)據(jù)手冊通常表明，它們在低輸入電壓下會發(fā)生嚴(yán)重降額，并會將輸出限制為固定值，最多只能對其調(diào)整±10%。通常只有昂貴的實(shí)驗(yàn)室用品，才可將輸出電壓調(diào)節(jié)至零，并獲得真正、準(zhǔn)確的恒流輸出，而且它們也不必做得特別緊湊或高效。同樣，設(shè)計中還會考慮到控制回路響應(yīng)、過載反應(yīng)和故障檢測閾值等特性，以及任何控制和監(jiān)控信號電平、功能和極性。
因此，用戶必須解決電源的可用性問題，找到最佳折衷方案，然后為不同的產(chǎn)品采購各種類型的電源。對于已有的終端產(chǎn)品，要想對其進(jìn)行升級和更改，可能還受到電源范圍的擺布——即使是想對其輸出電壓進(jìn)行小幅調(diào)整，也可能需要對電源系統(tǒng)設(shè)計做出重大改變。許多應(yīng)用還特別要求電源在某些方面可調(diào)，例如LED恒流負(fù)載通常需要可調(diào)光，或者電解過程的輸出電壓可能需要可編程，以便確定其反應(yīng)速率。在這些情況下，通常只有采用昂貴的定制設(shè)計才能解決。
一方面，用戶希望自己的終端產(chǎn)品不受電源擺布，另一方面，電源供應(yīng)商也一直在探索如何使自己的產(chǎn)品盡可能做到通用。然而，過去的技術(shù)需要在價格以及尺寸或效率等參數(shù)方面做出權(quán)衡。現(xiàn)在，由于許多充分的理由，高功率密度成為了主要指令，權(quán)衡也就變得不可接受了。
數(shù)字電源/軟件定義電源帶來了新的可能性，它們不僅帶來了軟件控制的靈活性，還帶來了多功能性。過去幾年，隨著設(shè)計技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，效率和功率密度得到了提高，線路和負(fù)載變化所引起的降額問題也得到了緩解。
功率器件熱點(diǎn)：寬禁帶材料應(yīng)用
另一方面，盡管當(dāng)今半導(dǎo)體技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，但仍有更多設(shè)備和系統(tǒng)在使用傳統(tǒng)的電力電子系統(tǒng)生產(chǎn)。我們必須確保讓各種設(shè)備和技術(shù)的制造可持續(xù)進(jìn)行，同時還要牢記不同的安全和環(huán)境規(guī)范以及提高效率。
隨著SiC和GaN等寬禁帶器件的推出，電力電子技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化。事實(shí)上，這些材料的特性使其特別適合在高壓和高開關(guān)頻率下運(yùn)行，并能提供比最先進(jìn)的硅基功率器件更好的效率和散熱管理。
《使用SiC和GaN創(chuàng)建面向未來的電力電子器件》一文中指出，GaN和SiC是下一次電力電子革命的未來。
SiC是1,200V及以上以及100kW以上應(yīng)用的絕佳解決方案，在這些應(yīng)用中，GaN技術(shù)難以滿足這樣的功率等級。然而，GaN解決方案由于是橫向的，卻可實(shí)現(xiàn)電路集成。它們可以在非常高的開關(guān)頻率下工作，最高可達(dá)40MHz。
汽車電氣化所涉及的電源技術(shù)
最后，再來看下豐田在電池和功率器件等電源技術(shù)方面在其下一代汽車中又有著怎樣的戰(zhàn)略布局。
眾所周知，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷一場重大變革。汽車制造商必須做出改變，為明天的汽車(包括電動汽車、氫燃料汽車和自動駕駛汽車)做好準(zhǔn)備，以遵守增加的二氧化碳排放規(guī)定，并提供更安全的自動駕駛汽車。
作為最早將電動汽車商業(yè)化的公司之一，豐田現(xiàn)在生產(chǎn)種類繁多的汽車，例如燃料電池電動汽車(FCEV)、電池電動汽車(BEV)和混合動力汽車。涵蓋下一代汽車所涉及的大部分技術(shù)的綜合知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，是這種重新定位的重要支持者。
電池創(chuàng)新
在成為商業(yè)焦點(diǎn)之前的幾十年，豐田就預(yù)見到了向混合動力汽車和純電動汽車的過渡。多年來，該公司創(chuàng)造了廣泛的電池相關(guān)技術(shù)，這是影響電動汽車性能(自主性、速度和安全性)的主要因素之一。作為其研究計劃的一部分，豐田在日本和國外就電池進(jìn)行了廣泛合作。因此，該公司在電池和電動汽車的主要生產(chǎn)和商業(yè)化地點(diǎn)獲得了知識產(chǎn)權(quán)，其電池發(fā)明現(xiàn)在涵蓋了當(dāng)前和未來潛在技術(shù)的整個供應(yīng)鏈(日本、韓國、中國、歐洲和美國)。為了滿足電動汽車市場的需求，豐田非常愿意參與電池特性(能量和功率密度、充電速度、壽命等)的提升。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，豐田決定專注于兩個主要方向：改進(jìn)電動汽車中已有的鋰離子電池技術(shù)，以及開發(fā)具有卓越性能的新電池技術(shù)。
一方面，該公司正在開發(fā)用于鋰離子電池的新材料和現(xiàn)有材料。這些材料包括固體電解質(zhì)、NMC/NCA、鋰金屬、鈦酸鋰(LTO/Li4Ti5O12)和硅。考慮到其在整個供應(yīng)鏈中的強(qiáng)大知識產(chǎn)權(quán)地位，豐田是目前最重要的固態(tài)電池專利受讓人。
另一方面，豐田正在研究理論上性能優(yōu)于鋰離子電池的新電池技術(shù)。該業(yè)務(wù)致力于成熟的后鋰離子技術(shù)，包括鋰空氣、鋰硫和鈉離子電池，以及更尖端的技術(shù)，如Mg、F、Al、Ca、K和Zn離子電池。
電動汽車用SiC功率器件
自2018年以來，電裝公司(Denso)一直是碳化硅MOSFET開發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先公司。通過將其必要專利轉(zhuǎn)讓給電裝，豐田汽車期待在下一代電動汽車中集成SiC MOSFET。整個供應(yīng)鏈，從SiC材料到SiC功率器件、模塊和電路，都在豐田和Denso的專利活動中。豐田的知識產(chǎn)權(quán)活動側(cè)重于讓該公司在SiC供應(yīng)鏈向下移動時在電動汽車應(yīng)用方面具有競爭優(yōu)勢的想法。
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