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电源功率密度设计极限再获突破,专家解读背后秘密

2024-03-14 15:56:58 邵乐峰 阅读:
功率密度、低EMI、低IQ、低噪声高精度与隔离功能既是未来电源管理芯片发展的五大前沿趋势,也是衡量一家企业的产品性能是否继续享有领导地位的重要指标,5-10年内将不会出现任何改变。

德州仪器(TI)日前推出两个全新的功率转换器件产品系列:100V集成氮化镓(GaN)功率级和1.5W隔离式直流/直流模块,前者采用热增强双面冷却封装技术,可简化中压应用的热设计并实现超高的功率密度(高于1.5kW/in3);后者集成了变压器,具有业界超高功率密度和超小尺寸,可帮助工程师将汽车和工业系统中的隔离式辅助电源尺寸缩小89%以上。E7Vednc

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在更小空间内实现更高功率

德州仪器氮化镓产品业务负责人杨斐博士认为,功率密度、低EMI、低IQ、低噪声高精度与隔离功能既是未来电源管理芯片发展的五大前沿趋势,也是衡量一家企业的产品性能是否继续享有领导地位的重要指标,5-10年内将不会出现任何改变。E7Vednc

具体而言,就是提高功率密度可以在降低系统成本的同时实现更多的系统功能;尽量减少对其他系统组件的干扰,简化工程师的设计和鉴定流程;延长电池寿命与储存时间、实现更多功能,延长系统使用寿命并降低系统成本;降低或转移噪声可简化电源链并提高精密模拟应用的可靠性;在高压和关键安全应用中实现更高工作电压和更大可靠性。E7Vednc

“在更小空间内实现更高功率已经成为行业趋势,相关的市场需求正变得越来越多。” 杨斐解释说,在电源设计中,空间是有限的,因此工程师始终面临在更小的空间内实现更高功率的挑战。尽管这一趋势并非最近才出现,但其势头无疑没有丝毫减弱,预计未来将会成为电源客户愈发重视的需求。E7Vednc

以企业数据中心对人工智能的使用为例,这是推动更高功率密度趋势的一项典型应用——AI计算基于使用多个GPU的硬件加速器,每个GPU需要数百安培电流,这些硬件加速器仍需适应服务器机架的现有机械框架,但功耗会比传统计算服务器高得多。因此,服务器电源需要在相同的外形尺寸中提供更高功率,才能支持未来的AI应用。 E7Vednc

在太阳能光伏逆变器,尤其是微型逆变器中我们也发现了同样的应用——为了优化整个太阳能板的输出效率,每个光伏板背后都要安装一个MPPT(最大功率点追踪)优化器,考虑到安装体积、有限的边缘尺寸、以及环境温度变化较大的场景,MPPT对功率密度和效率的要求非常高。E7Vednc

总体而言,功率密度的提升通常与效率、散热或成本等其他方面的发展相携而行,如何以更小封装、更高功率和更少权衡来帮助设计人员应对上述挑战,是全行业孜孜以求的目标。E7Vednc

借助100V集成式GaN功率级提高功率密度和效率

借助德州仪器新款100V GaN功率级LMG2100R044和LMG3100R017,并得益于 GaN技术较高的开关频率,设计人员可以将中压应用的电源解决方案尺寸缩小40%以上,并实现卓越的功率密度(高于1.5kW/in3)。E7Vednc

与硅基解决方案相比,该全新产品系列还将开关功耗降低了50%,并且在给定较低输出电容和较低栅极驱动损耗的情况下实现98%或更高的系统效率。例如,在光伏逆变器系统中,较高的密度和效率使得同一块太阳能电池板能够存储和生成更多电能,同时可缩小整个微型逆变器系统的尺寸。E7Vednc

保障100V GaN产品系列热性能的关键要素是德州仪器的热增强双面冷却封装。借助该技术,这款器件可以比同类集成式GaN器件更高效地从两面散热,并提供优化的热阻。E7Vednc

在下图所展示的一个微逆系统中,基于Si-FET设计的500W 48V至12V降压转换器通常可实现94%至96%的效率,开关频率为1MHz至2MHz。但如果改用LMGx100,由于输出电容降低了60%,栅极驱动器损耗降低了50%,系统效率可提高至98%以上。同时,电源环路和栅极环路产生的寄生效应减少,集成的栅极驱动器可额外降低栅极驱动器开关损耗。 E7Vednc

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其次,得益于在100V电源空间中使用了全新的具有底部延伸接地焊盘的热增强顶部冷却封装,使得电路板两面能够更高效地进行系统散热,可实现相比先前封装18倍的热阻性能,这对于电信和光伏逆变器等没有主动冷却元件的系统非常重要。也就是说,通过LMGx100支持的更高开关频率,工程师可以使用更小的无源器件、使用隔离式拓扑和使用更少的变压器绕组来降低整体系统成本。E7Vednc

在谈及新产品是如何在效率、输出精度与成本间实现权衡的话题时,杨斐回应称,氮化镓带来的不仅仅是单个产品,而是整个系统的提升:包括电感、输出及输入电容体积、散热器尺寸的减小;通过提高频率减少被动元件,实现整体系统成本下降等等。E7Vednc

将辅助电源尺寸缩小89%以上 

德州仪器中国区技术支持经理宁玉怀表示,随着全球向车辆电气化的迈进,动力总成和 BMS设计人员不断在寻找新的方式来提高系统级的功率密度和效率。过去,隔离式辅助电源解决方案通常采用笨重、庞大且易受振动影响的变压器,设计的布局也因此变得很复杂,并且会导致较高的辐射EMI。E7Vednc

凭借比分立式解决方案高出八倍以上且比同类模块高出三倍的功率密度,新款1.5W隔离式直流/直流模块为汽车和工业系统提供超高的输出功率和隔离能力(3kV),并采用4mm x 5mm VSON封装。借助UCC33420-Q1和UCC33420,设计人员可以使用较少的元件并采用简单的滤波器设计,轻松满足严格的电磁干扰(EMI)要求,例如UCC33420-Q1具有大于200V/ns的业内超高共模瞬态抗扰性(CMTI)和低于3pF的初级到次级的电容,可承受极高的电压瞬变,符合国际无线电干扰特别委员会(CISPR)32和25合规标准。E7Vednc

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这些全新模块使用了TI的下一代集成变压器技术,无需在辅助电源设计中使用外部变压器。与分立式解决方案相比,该项技术将隔离电源变压器、初级侧和次级侧电桥与控制逻辑集成到一个封装中,从而助力工程师将解决方案尺寸缩小89%以上,将高度缩小高达75%,同时将物料清单减半。E7Vednc

现在,借助采用此类小型封装且符合汽车标准的先进解决方案,设计人员可以为电动汽车系统(例如BMS、OBC、牵引逆变器、数字隔离器、CAN总线隔离,MCU、电压和电流传感器的隔离供电)缩小辅助电源解决方案的尺寸、重量和高度。对于数据中心中空间受限的工业电力输送,该全新模块可助力设计人员更大程度地减小印刷电路板的面积。E7Vednc

责编:Demi
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