功率設(shè)備提升功率密度的方法

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

1. 高頻開關(guān)操作的實(shí)施

開關(guān)頻率是衡量功率器件運(yùn)行速度的參數(shù)。高頻率運(yùn)作，如數(shù)kHz至MHz以上，可顯著提升功率設(shè)備的功率密度，因?yàn)檩^短時(shí)間內(nèi)設(shè)備能生成更多功率。

例如，SiC和GaN等晶體管技術(shù)比基于硅半導(dǎo)體具備更高的開關(guān)頻率，其中GaN的開關(guān)頻率最高可達(dá)吉赫茲量級(jí)。這兩種技術(shù)在尺寸較小時(shí)具有更高的功率密度。

為實(shí)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(chǔ)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(shè)備系統(tǒng)的高效熱管理是實(shí)現(xiàn)高效率和功率密度的關(guān)鍵。務(wù)必提升元件的熱性能以管理電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。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(dǎo)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(duì)散熱提出了挑戰(zhàn)。如果包裝設(shè)計(jì)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(shè)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(jìn)的熱接口材料等都是一些先進(jìn)的散熱技術(shù)。

3. 進(jìn)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(jí)集成技術(shù)、減小芯片組件的尺寸和使用高效的互聯(lián)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。功率系統(tǒng)的組件，如開關(guān)、驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換能量。通過提高設(shè)備的開關(guān)頻率來減小無源組件的大小是可行的。高開關(guān)頻率允許在開關(guān)周期中使用更少的能量。此外，采用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)（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(guān)頻率基本上是增加功率密度的有效途徑，但開關(guān)損耗卻是一個(gè)限制因素。半導(dǎo)體器件的高導(dǎo)通電阻是導(dǎo)致開關(guān)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(fù)損耗。在功率MOSFET內(nèi)部主體二極管反向偏置且器件處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，卻存在恢復(fù)電流穿過半導(dǎo)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(shè)計(jì)并減少開通時(shí)間之間的延遲可以減少反向恢復(fù)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。