德州儀器：功率密度基礎(chǔ)技術(shù)簡介

功率密度在現(xiàn)代電力輸送解決方案中的重要性和價(jià)值不容忽視。

為了更好地理解高功率密度設(shè)計(jì)的基本技術(shù)，在本文中，我將研究高功率密度解決方案的四個(gè)重要方面：

• ?降低損耗。
• 最優(yōu)拓?fù)浜涂刂七x擇
• 有效的散熱。
• 通過機(jī)電元件集成來減小系統(tǒng)體積

我還將演示如何與TI合作，使用先進(jìn)的技術(shù)能力和產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)這四個(gè)方面，幫助您改進(jìn)并達(dá)到功率密度值。

首先，讓我們來定義功率密度，并著重了解一些根據(jù)功率密度值比較解決方案時(shí)的細(xì)節(jié)。

什么是功率密度？

對于電源管理應(yīng)用程序而言，功率密度的定義似乎非常簡單：它指的是轉(zhuǎn)換器的額定（或標(biāo)稱）輸出功率除以轉(zhuǎn)換器所占體積，如圖1所示。

圖1：計(jì)算功率密度很容易，但如何定義標(biāo)稱功率和體積通常會(huì)導(dǎo)致歧義。

但如果您想根據(jù)功率密度比較電源，則需要對這個(gè)簡單的定義作出充分的說明。

這里的輸出功率是指轉(zhuǎn)換器在最壞的環(huán)境條件下可以提供的連續(xù)輸出功率。環(huán)境溫度、最大可接受外殼溫度、方向、海拔高度和預(yù)期壽命都可能會(huì)影響相關(guān)功率能力。

同樣，您可以根據(jù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)，以多種不同的方式定義電源容量。一些變量可能會(huì)顯著影響容量，從而影響所報(bào)告的電源功率密度：包含或排除電磁干擾濾波器、風(fēng)扇、外殼要求以及輸入和輸出儲(chǔ)能電容器。這些通常是需要的，但不是許多模塊化電源的一部分。因此，在比較文獻(xiàn)報(bào)道的功率密度數(shù)據(jù)時(shí)，必須了解并考慮這些變量。

功率密度的歷史

讓我們簡短地回顧一下，看看功率密度的魅力從何而來，以及這一趨勢是如何開始的。

從開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換的早期發(fā)展以來，效率一直是電力技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力。依賴于輸入輸出電壓比以及少數(shù)可用拓?fù)涞拈_關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，可以打破線性電源的確定性效率。

自20世紀(jì)90年代初以來，在個(gè)人計(jì)算機(jī)和電子、電信和半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，提高效率的需求大大加快。如圖2所示，功率解決方案效率的提高促進(jìn)了功率密度的不斷進(jìn)步。

圖2：在電力輸送應(yīng)用中，效率和功率密度是緊密耦合的。

能源危機(jī)的浪潮以及隨之出現(xiàn)的監(jiān)管要求使得效率成為電力系統(tǒng)的一個(gè)更重要的屬性，特別是對于節(jié)能和總體擁有成本而言。

近十年來，高功率密度已被公認(rèn)為是電力系統(tǒng)工程的終極巔峰。

如何實(shí)現(xiàn)高功率密度

為了更好地理解對功率密度的關(guān)注，讓我們看看實(shí)現(xiàn)高功率密度所需的條件。即使是外行也能看出，效率、尺寸和功率密度之間的特殊關(guān)系是顯而易見的。

效率被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高功率密度的“把關(guān)人”，因?yàn)榻档推骷臒崃恐陵P(guān)重要。如要利用更高的效率，必須縮小解決方案的體積（換句話說，尺寸必須縮小）。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和小尺寸則需要一種能夠在高工作頻率下高效工作的解決方案。這種解決方案尤其應(yīng)該考慮：

• 降低開關(guān)損耗。一種可以提供低導(dǎo)通和低開關(guān)損耗的開關(guān)元件。
• 拓?fù)?、控制?a target="_blank">電路設(shè)計(jì)。您需要正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能在高開關(guān)頻率下工作?；谒鶓?yīng)用的控制技術(shù)，考慮到大多數(shù)轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢栽诓煌哪Ｊ较鹿ぷ?，例如傳統(tǒng)的方波脈沖寬度調(diào)制、零電壓或零電流轉(zhuǎn)換或全諧振模式，控制方法和創(chuàng)新的電路實(shí)現(xiàn)也很重要。
• 集成。高工作頻率對無源元件的縮放效應(yīng)可以縮小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸。但是，功率密度難題中還有另一個(gè)非常重要的部分——集成，見于在硅技術(shù)中通過單片整合電源、控制元件。在半導(dǎo)體器件方面，設(shè)計(jì)人員正在使用集成多個(gè)半導(dǎo)體裸片的多芯片模塊技術(shù)，在許多情況下甚至是無源器件、電容器和磁性組件。轉(zhuǎn)換器及其外殼的機(jī)械和印刷電路板設(shè)計(jì)無疑是實(shí)現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵因素。
• 更佳的熱性能。TI的增強(qiáng)封裝和先進(jìn)的引線框架技術(shù)在最大限度地減小外部冷卻面和實(shí)際硅溫度之間的溫度梯度方面發(fā)揮著重要作用。這些技術(shù)以及相應(yīng)的建模和優(yōu)化能力提供了更佳的熱性能。這不僅可以幫助實(shí)現(xiàn)高功率密度設(shè)計(jì)，而且可以長期、可靠地運(yùn)行TI的半導(dǎo)體器件。

這四種基礎(chǔ)技術(shù)的結(jié)合是成功完成高功率密度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，您可以像查看成績單一樣查看所實(shí)現(xiàn)的功率密度，從而對設(shè)計(jì)人員應(yīng)用最合適半導(dǎo)體技術(shù)的程度進(jìn)行評定，以及查看他們是否選擇了正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法、機(jī)械設(shè)計(jì)、熱管理及集成策略。

結(jié)論

如果您真的想了解功率密度為何舉足輕重，除了把它看作是電力工程的技術(shù)優(yōu)勢外，您還得看看整個(gè)行業(yè)和社會(huì)如何從更高的功率密度中獲益。

例如，更小的物理尺寸通常等同于更少的原材料用量，這意味著更低的材料成本。同樣，更小的尺寸和更少的材料可能會(huì)使重量減輕，這在運(yùn)輸領(lǐng)域的電力系統(tǒng)中是非常有價(jià)值的屬性，可以節(jié)省燃料或延長運(yùn)輸距離。最后，隨著功率密度的提高，小型化的可能性也隨之增加。推動(dòng)這一方面向縱深發(fā)展，使得電力轉(zhuǎn)換行業(yè)能夠創(chuàng)造出前所未有的新市場。

正如這些例子所示，功率密度非常重要，因?yàn)樗谙到y(tǒng)層面為制造商、用戶或運(yùn)營商帶來明確的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。所有的這些優(yōu)勢都能以較低的總擁有成本得到證明。

我希望這些信息和我們功率密度相關(guān)的五個(gè)培訓(xùn)視頻系列，能夠幫助您進(jìn)一步了解我們的公司和技術(shù)。我們先進(jìn)的硅技術(shù)和高壓氮化鎵功率器件可以幫助您，從低至5V到600V以上電源電壓范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)出色的功率密度。