功率設備提升功率密度的方法

在電力電子系統(tǒng)的設計和優(yōu)化中，功率密度是一個不容忽視的指標。它直接關系到設備的體積、效率以及成本。以下提供四種提高電力電子設備功率密度的有效途徑。

1. 高頻開關操作的實施

開關頻率是衡量功率器件運行速度的參數(shù)。高頻率運作，如數(shù)kHz至MHz以上，可顯著提升功率設備的功率密度，因為較短時間內(nèi)設備能生成更多功率。

例如，SiC和GaN等晶體管技術比基于硅半導體具備更高的開關頻率，其中GaN的開關頻率最高可達吉赫茲量級。這兩種技術在尺寸較小時具有更高的功率密度。

為實現(xiàn)更高的工作頻率，在功率芯片中嵌入小型電感器和電容器是基礎措施之一。高頻磁材料的選用及合適的繞線配置都可能提高功率密度。此外，優(yōu)化門電路、減少寄生參數(shù)和降低寄生元件的方法也同樣重要。

2. 有效的熱管理

功率設備系統(tǒng)的高效熱管理是實現(xiàn)高效率和功率密度的關鍵。務必提升元件的熱性能以管理電流產(chǎn)生的熱效應。包裝必須單位體積散發(fā)更多熱量，以提高功率密度。

在電力半導體產(chǎn)業(yè)中，為了降低系統(tǒng)成本而不斷追求高度集成，這對散熱提出了挑戰(zhàn)。如果包裝設計沒有良好散熱，溫度上升將增加轉(zhuǎn)換器及其他電力電子設備的功率損耗。熱通道、液體冷卻、直接倒裝銅、適用于表面貼裝的小封裝晶體管以及先進的熱接口材料等都是一些先進的散熱技術。

3. 進一步的小型化

所有功率系統(tǒng)組件整合到單一芯片上是小型化的最佳方案。這可以通過采用高級集成技術、減小芯片組件的尺寸和使用高效的互聯(lián)技術來實現(xiàn)。功率系統(tǒng)的組件，如開關、驅(qū)動器、濾波器、電流傳感器、無源組件和散熱器等，占據(jù)了大部分空間。

小型化無源組件（如電阻、電容、電感等）是增加功率密度的基本方法之一。此類組件在電力操作中負責存儲和轉(zhuǎn)換能量。通過提高設備的開關頻率來減小無源組件的大小是可行的。高開關頻率允許在開關周期中使用更少的能量。此外，采用先進的調(diào)制技術（如PWM）和控制算法也有利于提高功率密度。

4. 減少損耗

盡管提高開關頻率基本上是增加功率密度的有效途徑，但開關損耗卻是一個限制因素。半導體器件的高導通電阻是導致開關損耗和寄生電容增加的原因。

另一種降低功率密度的損耗是功率MOSFET的反向恢復損耗。在功率MOSFET內(nèi)部主體二極管反向偏置且器件處于“關閉”狀態(tài)時，卻存在恢復電流穿過半導體，這種損耗降低了功率器件單位體積內(nèi)最大電流的能力。

優(yōu)化功率MOSFET的設計并減少開通時間之間的延遲可以減少反向恢復損耗。通過優(yōu)化PCB布局減少大部分損耗從而提高功率器件的功率密度。