了解功率密度的基本技术

[音乐播放] 大家好，我想藉此简要介绍一下这些 由四部分组成的视频系列，视频 介绍了功率密度在现代电力输送解决 方案中的重要性和价值。 这些视频旨在实现以下两个目标 -- 增进对高功率密度 设计基本原理的 深入理解，并展示与 TI 的合作以及 我们先进的技术能力 如何帮助您实现 这些高功率密度值。 我们将研究高功率密度解决方案的 四个关键方面，以及支持这些 特定要求的相关技术和产品。 这四个方面包括减少损耗的产生、 光学拓扑和控制选择、 通过组件的机械和电气集成来 减少系统体积，以及有效的散热。 在本视频系列的以下各章节中，我们 将分别讨论所有这些方面。 但是在开始之前，让我们先看一下功率密度的定义， 并重点介绍一些有关根据功率 密度值比较解决方案的重要细节。 对于功率管理应用， 功率密度的定义似乎很简单 -- 转换器的额定或标称输出功率 除以转换器 所占的体积。 但是，如果我们要基于功率密度值 来对同一类型东西进行比较，即使是这个简单的定义 也需要大量澄清。 在这种情况下，输出功率对应于 设备在最坏环境条件下 可以提供的连续输出功率。 相关的供电能力可能会受到环境温度、 最大可接受外壳温度、 方位、海拔和预期寿命等 综合影响。 同样，可以根据设备的应用和结构， 以多种不同方式 定义电源的体积。 一些通常会对电源的体积和 功率密度产生重大影响的变量 包括 EMI 滤波器、风扇、外壳要求、 输入和输出储能电容器， 它们通常是必需的部分，但许多 模块化大小的电源并不包含这些器件。 因此，当比较文献中 提供的功率密度数据时， 必须了解并考虑所有这些变量。 现在，让我们来做一个简短的历史回顾， 看看我们对功率密度的迷恋来自何处 以及这种趋势是如何开始的。 自开关模式电源转换 出现的早期阶段起，效率就是创新和 电源技术的驱动力。 开关模式电源转换器的出现使得打破 线性电源的确定性效率成为可能， 线性电源主要 依赖于输入输出电压比， 可用的拓扑很少。 从 20 世纪90 年代初开始， 在个人计算机、电子产品、电信 和半导体技术进步的推动下， 人们对提高效率的 需求大大加快。 许多能源危机浪潮以及随之而来的 监管要求的出现使效率成为 电力系统、节能 和总拥有成本的一个更为重要的属性。 近十年来，电力系统工程 对功率密度的重视程度已达到无以复加的地步。 为了更好地理解人们对功率密度的关注， 让我们看看实现高功率密度需要做什么。 效率、尺寸和功率密度之间的特殊关系是 显而易见的，即使对于外行人来说也是如此。 效率是实现高功率密度的 公认前提条件，因为减少需要 管理和从设备中移除的热量 是必不可少的。 为了充分利用高效率带来的优势， 必须缩小解决方案的体积， 或者说它的大小。 要同时实现这两项特性， 需要一种能够在高工作频率下 高效工作的解决方案。 特别是，我们需要一种能够提供 低导通和低开关损耗的开关元件。 在本系列的降低开关损耗视频中， 我们将讨论这一方面的内容以及 TI 的行业领先技术。 同时，我们需要正确的拓扑 以在高开关频率下工作。 考虑到我们的大多数转换器拓扑 可以基于所应用的控制技术，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 操作模式，以不同的模式进行操作， 因此控制方法和创新的 电路实现也很重要。 后续视频将对拓扑、控制和 电路 IP 的这些方面以及 其他一些方面的内容进行介绍。 更高的工作频率对无源组件的 放大效应可缩小功率转换器的尺寸。 但是，还有另一个 非常重要的功率密度 难题，即集成。 这是我们第三个视频的主题。 我们将主要讨论采用硅技术本身 以单片形式来集成电源和 控制元件的集成。 此外，在半导体器件方面， 我们将讨论利用多芯片模块技术， 集成多个半导体裸片， 以及在许多情况下甚至集成电容器和 磁性元件等无源器件。 尽管我们不会考虑改变转换器 外壳中的机械和 PCB 设计， 但它们无疑是 实现高功率密度的关键因素。 最后，我们将提醒大家注意 TI 的 增强封装和先进的引线框技术 如何在尽可能地减小外部冷却表面 和实际器件温度之间的 温度梯度方面发挥重要作用。 基于这些技术以及随附的建模 和优化功能，增强的热性能 不仅可以实现 高功率密度设计， 而且可以使TI 半导体器件 长期可靠地运行。 将这四个基本原则结合在一起应用 是许多成功执行高功率密度 设计的基石。 因此，所获得的功率密度可以 被视为有关设计人员如何 应用最合适的半导体技术以及 他或她是否选择了正确的 拓扑、控制方法、机械设计、热管理 和集成策略的报告卡。 但是，功率密度不仅仅是衡量 技术优劣和电力工程的通用分数。 如果我们真的想了解功率密度 为何如此重要的原因， 我们必须退后一步，看看整个行业和 整个社会如何从更高的功率密度中获益。 较小的物理尺寸 通常意味着更少的原材料用量， 这可能意味着更低的材料成本。 同样，更小的尺寸和更少的材料 可能会导致较低的重量， 这在运输领域的电力系统中是一个 极为宝贵的属性。 它可以节省燃料 和/或便利于航程的延长。 随着功率密度的提高， 小型化成为可能。 推动这一方面向纵深发展， 使得电源转换行业创造出了以前 难以想象的新市场。 正如这些示例所示， 功率密度之所以重要，是因为它为系统的 制造商、用户或运营商带来了 明确的经济优势。 所有这些优势都能以较低的 总拥有成本得到证明。 我希望此功率密度视频系列介绍 能够让您有兴趣了解更多有关 TI 及其技术的信息，这些技术可以使您能够 在从低至 5V 一直到600V 以上电源电压范围内， 实现出色的功率密度。 我们利用先进的硅和高电压氮化镓 器件以及先进的封装技术来 实现这一目标。 因此，请加入我们的探索之旅， 深入研究这四个基础， 即降低开关损耗、拓扑选择控制 和电路设计、集成 以及提高热性能。 所有这些都将指导您实现更高 功率密度的设计。