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    電源管理設計小貼士:回到未來,電力電子產品如何變化

    2019-02-27 07:00:00 來源:EEFOCUS
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    我于2002年開始在德州儀器(TI)工作;從那時起,電力電子市場整體增長了四倍多,復合年增長率達到了8%左右。這種巨大的增長得益于電源領域的一些驚人的進步。
     
    我將在本文中回顧在2002年看起來幾乎不可能實現的話題。例如,我的首批項目之一是用于低壓大電流處理器應用的兩相轉換器:輸入電壓為12 V,輸出為1 V,電流為40 A,功率級均為250 kHz,輸出紋波為500 kHz。我記得,由于電壓過低,無法用傳統的電子負載測試電源。為了快速完成一些測試,我使用了一個1米長的銅帶來達到加載電源的等效電阻。而當我打開電源時,由于電場的原因,銅環實際上已扭曲。
     
    我們團隊為此類電源提供的最新規格是:550 A時為1 V!該設計采用12相電源,具有先進的電流共享和瞬態響應技術。我們現在擁有一整套實驗臺,內裝專門的測試設備。隨著消費者對互聯網和云的需求增加,特定于應用的處理器正變得越來越耗電。
     
    另一項激動人心的技術進步是增加寬帶隙器件的使用量,如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。GaN和SiC已存在一段時間,但在2002年既不可靠也不具有成本效益,無法用于商業用途。這兩種技術都可大幅提高功率密度和開關速度。圖1所示為1 kW功率因數校正(PFC)電源,每立方英寸能夠達到156 W  - 比超級結硅芯片提高了2倍,比10年前提高了10倍。
     
    99%的效率
    GaN FET
    子卡
    開關級和電感器
     
     
    圖1 采用1 kW通用交流輸入電源的99%高效1kW GaN基連續電流模式(CCM)圖騰柱功率因數校正(PFC)轉換器參考設計
     
    汽車應用正在增加對車輛內部電源和電子設備的需求。在2002年,能夠將電源切換到AM無線電頻段(2.2 MHz)以上只是一個夢想。2018年,我們不僅可在AM波段之上切換,而且我們可以更小、更高效的方式進行切換。德州儀器最新的集成場效應晶體管(FET)轉換器的一些開關頻率高于6 MHz。半導體技術的進步以及封裝使這些改進成為可能。圖2所示為集成FET轉換器的功率密度如何隨著特征尺寸的減小在典型的線性雙極互補金屬氧化物半導體(BiCMOS)技術中得到擴展。
     
    半導體封裝在收縮尺寸和更高頻率切換方面也發揮著重要作用。封裝中的寄生損耗可限制開關電源合理切換的速度。典型封裝先前使用單鍵線將硅連接到引線框架引腳,現在我們可將銅金屬層直接連接到封裝或印刷電路板上,這種類型的封裝可降低寄生電感和雜散電容,從而實現更快的轉換時間。與此同時,熱管理也得到改善,這在增加功率密度時很重要。
     
    典型的線性Bi-CMOS技術
    圖2 典型線性BiCMOS技術的發展
     
    筆記本適配器(外部適配器)通常稱為“磚”。我找了一下,發現一個,并決定稱重 -  重達1.35磅!圖3比較了2002年筆記本適配器(1.35磅)和2018年筆記本適配器(0.39磅)與真磚頭(3.25磅)的尺寸。隨著時間推移,尺寸上的減少令人驚嘆。
     
    圖3 筆記本適配器尺寸的比較
     
    通過提高效率、提高開關頻率和改善熱管理,可減小尺寸。但若沒有技術突破,很難實現所有三項改進:
     
    ?  諧振拓撲結構,如有源鉗位反激和電感電感電容。
     
    ?  多級轉換器。
     
    ?  GaN和SiC等寬帶隙器件。
     
    ?  二次整流和共振。
     
    2002年的電源適配器的功率密度約為5 W/in3。雖然在當時令人印象深刻,但若尺寸更小的話可在旅行時方便攜帶。圖4所示為適配器功率密度在過去幾年中的增長情況。這些測量關乎市售的65-W適配器。
     
    功率密度(W/in3)
     
    圖4 65-W適配器尺寸和功率密度的改進
     
    我對電源行業過去幾年的變化和改進感到振奮。現在情況很樂觀,雖然我無法預測他們是否會變得更好,但它值得我們拭目以待。
     
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