用于提高功率密度的無源元件創(chuàng)新

為什么提高功率密度是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員的重要目標(biāo)？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(jiǎn)單。

為什么提高功率密度是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員的重要目標(biāo)？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(jiǎn)單。

隨著我們對(duì)這些系統(tǒng)的要求越來越高，它們必須在相同或更短時(shí)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(shí)上，在提高功率和能源效率的同時(shí)，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(jì)人員的首要目標(biāo)，與此相結(jié)合的另一目標(biāo)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(duì)于進(jìn)一步節(jié)約能源也很重要。

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的寬帶隙技術(shù)

在可幫助實(shí)現(xiàn)更高功率密度的選項(xiàng)中，寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)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(dòng)汽車新貴已經(jīng)是WBG 半導(dǎo)體的重要支持者。而且隨著這種趨勢(shì)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)汽車具有更高競(jìng)爭(zhēng)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(shí)還可以在更高溫度下可靠運(yùn)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(fù)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(jìn)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(dòng)，這種優(yōu)勢(shì)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(shì)。

對(duì)于基于普通硅功率半導(dǎo)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(rèn)可的聚丙烯電容器，而且，這種電容器經(jīng)過驗(yàn)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(yīng)就會(huì)導(dǎo)致過多的電阻損耗和自生熱。

更多材料科學(xué)介紹

大多數(shù)領(lǐng)先的電力電子團(tuán)隊(duì)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(duì)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(yùn)行，并且可以處理非常高的紋波電流，而電容相對(duì)于直流電壓則沒有變化。電容在整個(gè)溫度范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定。由于能夠在高達(dá) 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(dǎo)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(yīng)用，包括用于400V 和 800V 的電動(dòng)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(shí)現(xiàn)高功率應(yīng)用中無需冷卻即可達(dá)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(jī)制，包括繞組引起的電阻損耗以及鐵氧體或金屬?gòu)?fù)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(dǎo)率的情況下最大限度地減少磁芯損耗，磁芯磁導(dǎo)率決定了其抵抗電路內(nèi)電流變化和在磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量的能力。

這是我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)接受的另一個(gè)挑戰(zhàn)，而且我們已經(jīng)完全準(zhǔn)備好宣布在材料科學(xué)方面的新解決方案。在保持高磁導(dǎo)率的同時(shí)，這種新材料針對(duì) 1～5MHz 頻率范圍內(nèi)最低損耗進(jìn)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(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

提高電源開關(guān)頻率還有其他好處?？梢源蟠蠼档捅Ｗo(hù)主處理器等關(guān)鍵部件所需的負(fù)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(duì)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(gè)目標(biāo)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(dāng)今處理器設(shè)計(jì)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(dá) 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(huì)陷入僵局，需要設(shè)計(jì)人員更密切地關(guān)注系統(tǒng)的其他部分以進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。我們的材料部門為了開發(fā)第一個(gè)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(dāng)達(dá)到該限制時(shí)，關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到負(fù)載點(diǎn) (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(shí)鐘頻率組合控制下運(yùn)行，導(dǎo)致電流需求迅速變化，并達(dá)到峰值。通常用于為這些 IC 供電的多相穩(wěn)壓器會(huì)要求設(shè)計(jì)人員在瞬態(tài)響應(yīng)與紋波電流之間進(jìn)行權(quán)衡。瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)受到很大限制，因?yàn)樗邢辔欢夹枰獣r(shí)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?yàn)樵诒３謾C(jī)械穩(wěn)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(wěn)壓器 (TLVR) 的開發(fā)成為可能，其中所有相位能夠同時(shí)響應(yīng)以實(shí)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(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。

WBG 和噪聲發(fā)射

WBG 半導(dǎo)體的快速開關(guān)也給設(shè)計(jì)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(duì)這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，使轉(zhuǎn)換器和逆變器符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)材料、新電路拓?fù)湟约皩?duì)電容器和電感器的新需求在內(nèi)，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。但誰能知道，我們是否會(huì)在某個(gè)時(shí)間達(dá)到一個(gè)極限，再也不會(huì)有超過這個(gè)極限而進(jìn)一步改進(jìn)的可能？

（來源：YAGEO，作者：YAGEO旗下企業(yè) KEMET 應(yīng)用工程高級(jí)總監(jiān) Peter A. Blaise）