低電感電源總線

隨著直流電流隨著電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車等應(yīng)用中開關(guān)頻率的增加而增加，對(duì)直流電源總線的性能要求不僅僅是 IR 降（即電壓降）和熱考慮。由于設(shè)計(jì)需求和以碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開關(guān)為代表的寬帶隙器件 (WBG) 的使用增加，該總線現(xiàn)在必須在數(shù)百千赫茲的更高頻率下具有非常低的電感。

總線必須具有低電阻和低電感，而且還必須有足夠的電容來消除電壓紋波。不幸的是，由于它們的互連和內(nèi)部寄生效應(yīng)，用于第二個(gè)屬性的相同電容器對(duì)第一個(gè)屬性有害。除了簡(jiǎn)單地添加更多大容量電容之外，還可以使用不同的方法來嘗試實(shí)現(xiàn)多個(gè)相互沖突的目標(biāo)。

最近，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種解決這個(gè)問題的有趣方法并申請(qǐng)了專利。（如果您想知道“誰或什么是桑迪亞？”——這有點(diǎn)復(fù)雜。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)多任務(wù)美國(guó)政府實(shí)驗(yàn)室，由桑迪亞有限責(zé)任公司的國(guó)家技術(shù)和工程解決方案管理和運(yùn)營(yíng)，桑迪亞有限責(zé)任公司是該公司的全資子公司。 Honeywell International Inc. — 為美國(guó)能源部的國(guó)家核安全管理局服務(wù)。讓我們暫且不談。）

他們的設(shè)計(jì)使用分層的、類似 PC 板的結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)金屬平面被聚合物電介質(zhì)隔開，以提供“平面”電容，圖 1。

圖 1. 電源總線看起來像一塊 PC 板，但使用的是聚合物電介質(zhì)而不是玻璃環(huán)氧樹脂，因此它的功能類似于平面電容器。（來源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

該基本電容由大量（數(shù)百個(gè)）小型多層陶瓷電容器 (MLCC) 提升 - 而不是通常的電解或薄膜電容器 - 使用標(biāo)準(zhǔn) PC 板通孔連接在平面之間，圖 2。

圖 2. 組裝板的俯視圖和仰視圖顯示了大量 MLCC 器件以及大的、不間斷的“接地”平面。（來源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

這種方法提供了電和熱的好處。如此多的電容器的分散放置降低了高頻電流組件的分流阻抗，而扁平陶瓷電容器可以承受更高的溫度并支持更好的氣流。還有其他好處。在現(xiàn)有的應(yīng)用中，正負(fù)（通常稱為地）軌使用匯流條，并且它們被大面積隔開；當(dāng)磁場(chǎng)線穿過這個(gè)更大的區(qū)域時(shí)，由于大電流回路，有更高的有效電感。Sandia Laboratories 基于平板的方法通過減少電流回路的面積來大大降低電感。

他們的原型板使用 2 盎司覆層 PC 板材料，厚度約為 6 × 11 × 0.062 英寸（150 × 280 × 1.6 毫米）。它裝有 336 個(gè) 0.15 μF/1000 V MLCC 器件（具有 X7R 電介質(zhì)和 AEC – Q200 認(rèn)證，適用于汽車用途）。總電容為 50.4 μF，他們的模型和模擬表明這足以將紋波保持在 100 kHz 的目標(biāo)值以下。

除了廣泛的建模之外，他們還使用阻抗測(cè)量?jī)x器在 100 Hz 至 10 MHz 范圍內(nèi)測(cè)試了該設(shè)計(jì)，圖 3，這些結(jié)果與他們的模型非常匹配。他們還將他們的結(jié)果與豐田普銳斯中以類似方式使用的公交車模型進(jìn)行了比較。他們的總線性能有些優(yōu)越，體積更小，并且可以承受更高的溫度。

圖 3. 阻抗與頻率的測(cè)試結(jié)果表明，模擬和物理單元的性能密切跟蹤，并且優(yōu)于豐田普銳斯中的現(xiàn)有總線。（來源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

專利“低電感直流電源總線”（編號(hào)10,084,310）本身呢？該專利涵蓋了建模、討論、分析、設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試結(jié)果，當(dāng)然，所有這些都是解釋他們構(gòu)建低電感電源母線的方法所必需的。

但這并不是我對(duì)這項(xiàng)專利感興趣的地方。我已經(jīng)閱讀或?yàn)g覽了很多專利——一旦你了解了所有的正式風(fēng)格，它們就是一個(gè)信息豐富的初級(jí)資源——而且大多數(shù)都是相當(dāng)枯燥和技術(shù)性的。簡(jiǎn)而言之，他們說，“有一個(gè)問題，這是我們的創(chuàng)新解決方案，這是它的工作原理和原因”，專利故事到此結(jié)束。

相反，該專利更像是EDN 中的營(yíng)銷宣傳或供應(yīng)商撰寫的技術(shù)文章。它的很多前期空間都用于討論市場(chǎng)需求和機(jī)會(huì)、不同方法之間的權(quán)衡以及類似的考慮，直到它最終進(jìn)入創(chuàng)新本身的細(xì)節(jié)。我很困惑，因?yàn)槲艺J(rèn)為專利的發(fā)布僅取決于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而不是任何市場(chǎng)分析或需求。畢竟，許多專利被授予獨(dú)特的、非顯而易見的設(shè)計(jì)，沒有或幾乎沒有商業(yè)前景——或者為未來的侵占提供障礙。許多專利創(chuàng)意都處于停滯狀態(tài)，一些代表已經(jīng)上市的產(chǎn)品，而另一些則處于停滯狀態(tài)——只有在其他發(fā)展提高其價(jià)值時(shí)才變得有價(jià)值。

審核編輯：劉清