用于提高功率密度的无源元件创新
作者：YAGEO旗下企业 KEMET 应用工程高级总监 Peter A. Blaise
为什么提高功率密度是转换器设计人员的重要目标？不论是数据中心服务器等能源密集型系统，还是道路上越来越智能的车辆，为其供电的电源转换电路需要能够在更小的空间内处理更大的功率。真的就是那么简单。
随着我们对这些系统的要求越来越高，它们必须在相同或更短时间内完成更多工作。根据定义，这意味着输出更多功率。但是无论在数据中心还是车辆中都一样，空间都非常宝贵。构建更大的电路来处理更高功率通常不是最佳选择方案。事实上，在提高功率和能源效率的同时，要显著减小系统尺寸有较大压力。因此，提高功率密度是设计人员的首要目标，与此相结合的另一目标是提高效率，以缓解增大的散热挑战。随着世界越来越多地依赖可再生能源发电，这对于进一步节约能源也很重要。
电源系统设计中的宽带隙技术
在可帮助实现更高功率密度的选项中，宽带隙 (WBG) 半导体已迅速获得业界主流采纳。例如，虽然目前还没有大规模采用，但在汽车领域，电动汽车新贵已经是WBG 半导体的重要支持者。而且随着这种趋势的发展，知名品牌正在迅速采取行动，以确保其即将推出的全电动汽车具有更高竞争力和可比的性能。
以碳化硅 (SiC) 、氮化镓 (GaN) 和其他技术为代表的WBG器件能够显著提高功率转换效率，尤其是能够以比相应硅器件更高的开关频率工作，同时还可以在更高温度下可靠运行，从而缓解了热管理挑战，并可以减小冷却系统的尺寸、重量和复杂性。
更快的开关速度还使更小的电路能够处理相同甚至更大的功率。具体来说，以更高的频率进行开关操作允许采用体积更小的相关组件（如电容器和电感器）来管理和平滑输入和输出电路中的能量流动，这种优势已经广为人知，然而，除了需要较小的电容和电感之外，还有其它优势。
对于基于普通硅功率半导体器件的转换器，其典型开关频率在几十千赫兹范围内，或者30～80kHz。在这些频率下，可以采用被广泛认可的聚丙烯电容器，而且，这种电容器经过验证，性能可靠，且最重要的是具有成本效益。然而，在这个频率范围之上，寄生效应就会导致过多的电阻损耗和自生热。
更多材料科学介绍
大多数领先的电力电子团队都在开发基于SiC 功率晶体管的全新转换器原型，我们一直在磁过程中保持与他们的合作。通过研究这些新功率开关技术对支持电路提出的新要求，使我们能够开发 KC-LINK 陶瓷电容器，该电容器是基于专有的高压 C0G 电介质，可确保极低的有效串联电阻 (ESR) 和极低的热阻。它们可以在低兆赫频率范围内以最小的损耗运行，并且可以处理非常高的纹波电流，而电容相对于直流电压则没有变化。电容在整个温度范围内也非常稳定。由于能够在高达 150℃的温度下工作，因此在高功率密度应用中能够靠近快速开关半导体进行安装。已经面市的产品系列可提供从 500V 到 2000V 的额定电压，涵盖广泛的应用，包括用于400V 和 800V 的电动汽车电池系统。
我们还开发了一种瞬态液相烧结 (TLPS)技术，这是一种非焊接互连技术，能够实现小尺寸高电容 MLCC 无引线堆栈，并可利用class-I C0G 电介质的温度稳定性来实现高功率应用中无需冷却即可达到 150℃甚至更高的工作温度。
另一方面，WBG 在数据中心服务器的应用一般是基于 GaN 技术。多年来，典型的开关频率一直停留在 300kHz 左右，但随着 GaN技术的出现而增加，尽管目前仍然只有大约 900kHz。在该领域，我们发现磁性元件的性能是主要限制因素。电感器有两种损耗机制，包括绕组引起的电阻损耗以及铁氧体或金属复合磁芯加热时的能量损耗。理想的做法是在不影响磁芯磁导率的情况下最大限度地减少磁芯损耗，磁芯磁导率决定了其抵抗电路内电流变化和在磁场中存储能量的能力。
这是我们团队已经接受的另一个挑战，而且我们已经完全准备好宣布在材料科学方面的新解决方案。在保持高磁导率的同时，这种新材料针对 1～5MHz 频率范围内最低损耗进行了优化，因此可以提高基于 GaN 转换器的开关频率。就像在 SiC 转换器中一样，提高开关频率允许采用更小的电容和电感值，最终实现更高的功率密度。
提高电源开关频率还有其他好处。可以大大降低保护主处理器等关键部件所需的负载瞬态去耦电容。从历史上看，这些电容都采用钽或铝聚合物电容器。减少对去耦电容的依赖，可以将一小部分 II 类 MLCC（例如 X5R、X6S 或 X7R 器件）直接放置在处理器附近。我们目前正在努力的下一个目标是将铝聚合物去耦电容器嵌入到封装内的芯片载体中，与片上硅电容器一起工作。这可以克服当今处理器设计人员所面临的去耦挑战，并支持更高的转换器频率，未来可能高达 10MHz 甚至更高。这些可能需要大约五年的工程努力。
我们还发现，提高系统某一部分的性能可能会陷入僵局，需要设计人员更密切地关注系统的其他部分以进行持续改进。我们的材料部门为了开发第一个开关槽式（switched-tank）转换器，特意制定了 U2J 陶瓷电介质。通过增加定制电感器几何形状以减少磁芯损耗，这些转换器极大地提高了数据中心服务器分布式电源系统中 48V 到 12V 转换的效率。
这些转换器目前确定了 48V到12V 转换效率的上限。当达到该限制时，关注点转移到负载点 (POL) 转换器上。在这里，高性能处理器和 FPGA 在低数字电源电压和高时钟频率组合控制下运行，导致电流需求迅速变化，并达到峰值。通常用于为这些 IC 供电的多相稳压器会要求设计人员在瞬态响应与纹波电流之间进行权衡。瞬态响应会受到很大限制，因为所有相位都需要时间按顺序稳定。此外，这些多相稳压器不利于提高功率密度，因为在保持机械稳定性的同时，减小电感器宽度变得不切实际。双绕组、四端电感器使跨电感器稳压器 (TLVR) 的开发成为可能，其中所有相位能够同时响应以实现更快的瞬态响应。 Yageo Group 旗下企业Pulse Electronics是 TLVR 电感器的市场领导者。
WBG 和噪声发射
WBG 半导体的快速开关也给设计人员带来了不想看到的挑战：电气噪声辐射或 EMI/EMC。为了应对这一设计挑战，使转换器和逆变器符合相关标准要求，KEMET 的磁性元件小组开发了用于 EMI 共模扼流圈（Common Mode Chokes）的纳米晶芯材料，该材料能够在更小的封装内提供宽带性能。
未来展望
包括先进材料、新电路拓扑以及对电容器和电感器的新需求在内，我们看到的所有进展彼此之间都相互关联，正是这些因素的共同作用，才推动了能源效率提高和功率密度的不断进步。但谁能知道，我们是否会在某个时间达到一个极限，再也不会有超过这个极限而进一步改进的可能？
