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用于提高功率密度的無源元件創(chuàng)新

發(fā)布時間:2023-03-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】為什么提高功率密度是轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員的重要目標(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。真的就是那么簡單。

 

為什么提高功率密度是轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員的重要目標(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。真的就是那么簡單。


用于提高功率密度的無源元件創(chuàng)新


隨著我們對這些系統(tǒng)的要求越來越高,它們必須在相同或更短時間內(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。事實上,在提高功率和能源效率的同時,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,這對于進(jìn)一步節(jié)約能源也很重要。


電源系統(tǒng)設(shè)計中的寬帶隙技術(shù)


在可幫助實現(xiàn)更高功率密度的選項中,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。而且隨著這種趨勢的發(fā)展,知名品牌正在迅速采取行動,以確保其即將推出的全電動汽車具有更高競爭力和可比的性能。


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,同時還可以在更高溫度下可靠運行,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,這種優(yōu)勢已經(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。


對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)過驗證,性能可靠,且最重要的是具有成本效益。然而,在這個頻率范圍之上,寄生效應(yīng)就會導(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)以最小的損耗運行,并且可以處理非常高的紋波電流,而電容相對于直流電壓則沒有變化。電容在整個溫度范圍內(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復(fù)合磁芯加熱時的能量損耗。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)電流變化和在磁場中存儲能量的能力。


這是我們團(tuán)隊已經(jīng)接受的另一個挑戰(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,這種新材料針對 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陷入僵局,需要設(shè)計人員更密切地關(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,關(guān)注點轉(zhuǎn)移到負(fù)載點 (POL) 轉(zhuǎn)換器上。在這里,高性能處理器和 FPGA 在低數(shù)字電源電壓和高時鐘頻率組合控制下運行,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)壓器會要求設(shè)計人員在瞬態(tài)響應(yīng)與紋波電流之間進(jìn)行權(quán)衡。瞬態(tài)響應(yīng)會受到很大限制,因為所有相位都需要時間按順序穩(wěn)定。此外,這些多相穩(wěn)壓器不利于提高功率密度,因為在保持機(jī)械穩(wěn)定性的同時,減小電感器寬度變得不切實際。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響應(yīng)以實現(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)對這一設(shè)計挑戰(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﹄娙萜骱碗姼衅鞯男滦枨笤趦?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,我們是否會在某個時間達(dá)到一個極限,再也不會有超過這個極限而進(jìn)一步改進(jìn)的可能?

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


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