制約電源適配器頻率提升的局限是什么? |
中小功率場(chǎng)合,我理解為0-10kW, 高頻理解為1-3Mhz。電源適配器廠家玖琪實(shí)業(yè)在研究超高頻20Mhz的開關(guān)電路,但是由于功率僅局限于20W之內(nèi),所以不再討論的話題之內(nèi)(真實(shí)原因是我不懂,哈哈)。 電源適配器廠家對(duì)于將頻率提升特別謹(jǐn)慎,在高頻狀態(tài)下,寄生參數(shù)帶來(lái)的不確定性尤其難以預(yù)測(cè),以下是美國(guó)MPS的MP2160,其頻率高達(dá)3.5M,堪稱DC-DC領(lǐng)域的跑車。
類似于在微電子產(chǎn)業(yè)中著名的摩爾定律,從1970年開始,電力電子變換器的功率密度大約每十年增加一倍。這和功率半導(dǎo)體發(fā)展的軌跡密切相關(guān),受益于硅器件封裝和溝道結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)展,開關(guān)頻率已經(jīng)推到了兆赫茲級(jí)別,被動(dòng)元件的體積不斷減小,變換器提高了功率密度,但是高開關(guān)頻率帶來(lái)的高開關(guān)損耗、高磁芯損耗使得整個(gè)系統(tǒng)損耗大幅增加,散熱系統(tǒng)也隨之增加,所以現(xiàn)在阻礙電力電子變換器功率密度進(jìn)一步提高的技術(shù)屏障在散熱系統(tǒng)和高頻電磁設(shè)計(jì),以及先進(jìn)的功率集成和封裝技術(shù)。 為了維持這個(gè)功率密度的發(fā)展速度,很多電力電子前沿研究已經(jīng)轉(zhuǎn)移到散熱基板研究,被動(dòng)元件集成等方面的研究。就算現(xiàn)在把開關(guān)頻率提到很高,功率密度也是被這些因素制約的。 下面我稍微展開來(lái)說(shuō)下: 1.開關(guān)損耗 開關(guān)損耗確實(shí)是限制因素之一,但是氮化鎵器件的推出已經(jīng)讓開關(guān)損耗在1-3Mhz這個(gè)范圍內(nèi)變得可以接受,我下面附一張圖片,這是三家公司推出的650V的GaN device,可以看出最好的管子開通損耗已經(jīng)4uJ,關(guān)斷損耗在8uJ(測(cè)試條件在400V, 12A),還有一家叫RFMD的公司,其650V的管子基本可以和Transphorm平齊。而同電壓電流等級(jí)的硅器件很多管子都還在以mJ為單位。 下面在貼出一張低壓氮化鎵和硅器件的比較,可以看出,總體來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)損耗也會(huì)變得很小。 還有一點(diǎn)很重要,寬禁帶半導(dǎo)體的工作結(jié)溫很高,以目前的工藝來(lái)說(shuō),Sic的結(jié)溫可以工作到200°,氮化鎵可以工作到150°。而硅器件呢,我覺得最多100°就不得了。結(jié)溫高,意味著相同損耗下,需要給寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的散熱器表面積要小很多,何況寬禁帶半導(dǎo)體的損耗本身還小。 但是開關(guān)頻率的提高,往往只能使用QFN或者其他一些表貼器件減少封裝寄生參數(shù),這給散熱系統(tǒng)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),原來(lái)To封裝可以加散熱器,減少到空氣對(duì)流的熱阻,而現(xiàn)在不行了。所以如果想在高頻下工作,第一問(wèn)題就是解決散熱,把高開關(guān)損耗導(dǎo)出去,尤其是在kW級(jí)別,散熱系統(tǒng)非常重要?,F(xiàn)在學(xué)界解決這個(gè)問(wèn)題的手段偏向于把器件做成獨(dú)立封裝,采用一種叫DCB的技術(shù),用陶瓷基板散熱,器件從陶瓷上表面到下表面的熱阻基本為0.4°C/W(有些人也用metal core PCB, 但是要加絕緣層,熱阻一般在4°C/W),而FR4為20°C/W。 總結(jié)一下,半導(dǎo)體不斷在發(fā)展,開關(guān)損耗也在顯著下降,而封裝越來(lái)越小,現(xiàn)在來(lái)看,我們要做的是怎么把那些熱量從那么小的表貼封裝下散出去。 熱處理可以通過(guò)數(shù)學(xué)建模搭建熱平臺(tái)來(lái)進(jìn)行西醫(yī)式地解決,這一點(diǎn)在老艾默生,華為與麥格米特是做得比較好的。通俗地描述“熱處理”,就是去火。電源適配器功率密度越來(lái)越大是一個(gè)趨勢(shì),另外一個(gè)趨勢(shì)是標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。 文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系刪除。 |
| 發(fā)布時(shí)間:2018.06.20 來(lái)源:電源適配器廠家 |
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