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电子元件

功率密度基础技术简介

  2020年08月21日  

  功率密度在现代电力输送解决方案中的重要性和价值不容忽视。

  为了更好地理解高功率密度设计的基本技术,在本文中,我将研究高功率密度解决方案的四个重要方面:

  · 降低损耗。

  · 最优拓扑和控制选择

  · 有效的散热。

  · 通过机电元件集成来减小系统体积

  我还将演示如何与TI合作,使用先进的技术能力和产品来实现这四个方面,帮助您改进并达到功率密度值。

  首先,让我们来定义功率密度,并着重了解一些根据功率密度值比较解决方案时的细节。

什么是功率密度?

  对于电源管理应用程序而言,功率密度的定义似乎非常简单:它指的是转换器的额定(或标称)输出功率除以转换器所占体积,如图1所示。

  图1:计算功率密度很容易,但如何定义标称功率和体积通常会导致歧义。

  但如果您想根据功率密度比较电源,则需要对这个简单的定义作出充分的说明。

  这里的输出功率是指转换器在最坏的环境条件下可以提供的连续输出功率。环境温度、最大可接受外壳温度、方向、海拔高度和预期寿命都可能会影响相关功率能力。

  同样,您可以根据转换器的应用和结构,以多种不同的方式定义电源容量。一些变量可能会显著影响容量,从而影响所报告的电源功率密度:包含或排除电磁干扰滤波器、风扇、外壳要求以及输入和输出储能电容器。这些通常是需要的,但不是许多模块化电源的一部分。因此,在比较文献报道的功率密度数据时,必须了解并考虑这些变量。

  如需更多信息,请下载白皮书“提供功率密度的利弊权衡及所需技术”

功率密度的历史

  让我们简短地回顾一下,看看功率密度的魅力从何而来,以及这一趋势是如何开始的。

  从开关模式电源转换的早期发展以来,效率一直是电力技术创新的驱动力。依赖于输入输出电压比以及少数可用拓扑的开关模式功率转换器,可以打破线性电源的确定性效率。

  自20世纪90年代初以来,在个人计算机和电子、电信和半导体技术进步的推动下,提高效率的需求大大加快。如图2所示,功率解决方案效率的提高促进了功率密度的不断进步。

  图2:在电力输送应用中,效率和功率密度是紧密耦合的。

  能源危机的浪潮以及随之出现的监管要求使得效率成为电力系统的一个更重要的属性,特别是对于节能和总体拥有成本而言。

  近十年来,高功率密度已被公认为是电力系统工程的终极巅峰。

如何实现高功率密度

  为了更好地理解对功率密度的关注,让我们看看实现高功率密度所需的条件。即使是外行也能看出,效率、尺寸和功率密度之间的特殊关系是显而易见的。

  效率被认为是实现高功率密度的“把关人”,因为降低器件的热量至关重要。如要利用更高的效率,必须缩小解决方案的体积(换句话说,尺寸必须缩小)。同时实现高效率和小尺寸则需要一种能够在高工作频率下高效工作的解决方案。这种解决方案尤其应该考虑:

  · 降低开关损耗。一种可以提供低导通和低开关损耗的开关元件。

  · 拓扑、控制和电路设计。您需要正确的拓扑结构才能在高开关频率下工作。基于所应用的控制技术,考虑到大多数转换器拓扑可以在不同的模式下工作,例如传统的方波脉冲宽度调制、零电压或零电流转换或全谐振模式,控制方法和创新的电路实现也很重要。

  · 集成。高工作频率对无源元件的缩放效应可以缩小功率转换器的尺寸。但是,功率密度难题中还有另一个非常重要的部分——集成,见于在硅技术中通过单片整合电源、控制元件。在半导体器件方面,设计人员正在使用集成多个半导体裸片的多芯片模块技术,在许多情况下甚至是无源器件、电容器和磁性组件。转换器及其外壳的机械和印刷电路板设计无疑是实现高功率密度的关键因素。

  · 更佳的热性能。TI的增强封装和先进的引线框架技术在最大限度地减小外部冷却面和实际硅温度之间的温度梯度方面发挥着重要作用。这些技术以及相应的建模和优化能力提供了更佳的热性能。这不仅可以帮助实现高功率密度设计,而且可以长期、可靠地运行TI的半导体器件。

  这四种基础技术的结合是成功完成高功率密度设计的基础。因此,您可以像查看成绩单一样查看所实现的功率密度,从而对设计人员应用最合适半导体技术的程度进行评定,以及查看他们是否选择了正确的拓扑结构、控制方法、机械设计、热管理及集成策略。

结论

  如果真的想了解功率密度为何举足轻重,除了把它看作是电力工程的技术优势外,您还得看看整个行业和社会如何从更高的功率密度中获益。

  例如,更小的物理尺寸通常等同于更少的原材料用量,这意味着更低的材料成本。同样,更小的尺寸和更少的材料可能会使重量减轻,这在运输领域的电力系统中是非常有价值的属性,可以节省燃料或延长运输距离。最后,随着功率密度的提高,小型化的可能性也随之增加。推动这一方面向纵深发展,使得电力转换行业能够创造出前所未有的新市场。

  正如这些例子所示,功率密度非常重要,因为它在系统层面为制造商、用户或运营商带来明确的经济优势。所有的这些优势都能以较低的总拥有成本得到证明。

(作者:Laszlo Balogh)

标签:德州仪器 TI我要反馈
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