【導讀】為(wei)什(shen)麼(me)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)是(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)重(zhong)要(yao)目(mu)標(biao)？不(bu)論(lun)是(shi)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)服(fu)務(wu)器(qi)等(deng)能(neng)源(yuan)密(mi)集(ji)型(xing)係(xi)統(tong)，還(hai)是(shi)道(dao)路(lu)上(shang)越(yue)來(lai)越(yue)智(zhi)能(neng)的(de)車(che)輛(liang)
，為(wei)其(qi)供(gong)電(dian)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)能(neng)夠(gou)在(zai)更(geng)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)內(nei)處(chu)理(li)更(geng)大(da)的(de)功(gong)率(lv)。真(zhen)的(de)就(jiu)是(shi)那(na)麼(me)簡(jian)單(dan)。

為(wei)什(shen)麼(me)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)是(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)重(zhong)要(yao)目(mu)標(biao)
？不(bu)論(lun)是(shi)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)服(fu)務(wu)器(qi)等(deng)能(neng)源(yuan)密(mi)集(ji)型(xing)係(xi)統(tong)
，還(hai)是(shi)道(dao)路(lu)上(shang)越(yue)來(lai)越(yue)智(zhi)能(neng)的(de)車(che)輛(liang)
，為(wei)其(qi)供(gong)電(dian)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)能(neng)夠(gou)在(zai)更(geng)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)內(nei)處(chu)理(li)更(geng)大(da)的(de)功(gong)率(lv)。真(zhen)的(de)就(jiu)是(shi)那(na)麼(me)簡(jian)單(dan)。

隨sui著zhe我wo們men對dui這zhe些xie係xi統tong的de要yao求qiu越yue來lai越yue高gao，它ta們men必bi須xu在zai相xiang同tong或huo更geng短duan時shi間jian內nei完wan成cheng更geng多duo工gong作zuo。根gen據ju定ding義yi


，這zhe意yi味wei著zhe輸shu出chu更geng多duo功gong率lv。但dan是shi無wu論lun在zai數shu據ju中zhong心xin還hai是shi車che輛liang中zhong都dou一yi樣yang，空kong間jian都dou非fei常chang寶bao貴gui。構gou建jian更geng大da的de電dian路lu來lai處chu理li更geng高gao功gong率lv通tong常chang不bu是shi最zui佳jia選xuan擇ze方fang案an。事shi實shi上shang，在zai提ti高gao功gong率lv和he能neng源yuan效xiao率lv的de同tong時shi
，要yao顯xian著zhu減jian小xiao係xi統tong尺chi寸cun有you較jiao大da壓ya力li。因yin此ci，提ti高gao功gong率lv密mi度du是shi設she計ji人ren員yuan的de首shou要yao目mu標biao，與yu此ci相xiang結jie合he的de另ling一yi目mu標biao是shi提ti高gao效xiao率lv

，以yi緩huan解jie增zeng大da的de散san熱re挑tiao戰zhan。隨sui著zhe世shi界jie越yue來lai越yue多duo地di依yi賴lai可ke再zai生sheng能neng源yuan發fa電dian，這zhe對dui於yu進jin一yi步bu節jie約yue能neng源yuan也ye很hen重zhong要yao。

電源係統設計中的寬帶隙技術

在可幫助實現更高功率密度的選項中

，寬帶隙 (WBG) 半導體已迅速獲得業界主流采納。例如，雖然目前還沒有大規模采用，但在汽車領域，電動汽車新貴已經是WBG 半(ban)導(dao)體(ti)的(de)重(zhong)要(yao)支(zhi)持(chi)者(zhe)。而(er)且(qie)隨(sui)著(zhe)這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)的(de)發(fa)展(zhan)，知(zhi)名(ming)品(pin)牌(pai)正(zheng)在(zai)迅(xun)速(su)采(cai)取(qu)行(xing)動(dong)，以(yi)確(que)保(bao)其(qi)即(ji)將(jiang)推(tui)出(chu)的(de)全(quan)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)競(jing)爭(zheng)力(li)和(he)可(ke)比(bi)的(de)性(xing)能(neng)。

以碳化矽 (SiC) 、氮化镓 (GaN) 和其他技術為代表的WBG器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)，尤(you)其(qi)是(shi)能(neng)夠(gou)以(yi)比(bi)相(xiang)應(ying)矽(gui)器(qi)件(jian)更(geng)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)工(gong)作(zuo)，同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)以(yi)在(zai)更(geng)高(gao)溫(wen)度(du)下(xia)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)，從(cong)而(er)緩(huan)解(jie)了(le)熱(re)管(guan)理(li)挑(tiao)戰(zhan)，並(bing)可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)的(de)尺(chi)寸(cun)、重量和複雜性。

更快的開關速度還使更小的電路能夠處理相同甚至更大的功率。具體來說
，以更高的頻率進行開關操作允許采用體積更小的相關組件（如電容器和電感器）來管理和平滑輸入和輸出電路中的能量流動，這種優勢已經廣為人知，然而，除了需要較小的電容和電感之外，還有其它優勢。

對於基於普通矽功率半導體器件的轉換器，其典型開關頻率在幾十千赫茲範圍內，或者30～80kHz。在(zai)這(zhe)些(xie)頻(pin)率(lv)下(xia)


，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)被(bei)廣(guang)泛(fan)認(ren)可(ke)的(de)聚(ju)丙(bing)烯(xi)電(dian)容(rong)器(qi)
，而(er)且(qie)，這(zhe)種(zhong)電(dian)容(rong)器(qi)經(jing)過(guo)驗(yan)證(zheng)，性(xing)能(neng)可(ke)靠(kao)，且(qie)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)具(ju)有(you)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)。然(ran)而(er)，在(zai)這(zhe)個(ge)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)之(zhi)上(shang)
，寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)就(jiu)會(hui)導(dao)致(zhi)過(guo)多(duo)的(de)電(dian)阻(zu)損(sun)耗(hao)和(he)自(zi)生(sheng)熱(re)。

更多材料科學介紹

大多數領先的電力電子團隊都在開發基於SiC 功gong率lv晶jing體ti管guan的de全quan新xin轉zhuan換huan器qi原yuan型xing
，我wo們men一yi直zhi在zai磁ci過guo程cheng中zhong保bao持chi與yu他ta們men的de合he作zuo。通tong過guo研yan究jiu這zhe些xie新xin功gong率lv開kai關guan技ji術shu對dui支zhi持chi電dian路lu提ti出chu的de新xin要yao求qiu，使shi我wo們men能neng夠gou開kai發fa KC-LINK 陶瓷電容器
，該電容器是基於專有的高壓 C0G 電介質
，可確保極低的有效串聯電阻 (ESR) hejididerezu。tamenkeyizaidizhaohepinlvfanweineiyizuixiaodesunhaoyunxing，bingqiekeyichulifeichanggaodewenbodianliu，erdianrongxiangduiyuzhiliudianyazemeiyoubianhua。dianrongzaizhenggewendufanweineiyefeichangwending。youyunenggouzaigaoda 150℃的溫度下工作，因此在高功率密度應用中能夠靠近快速開關半導體進行安裝。已經麵市的產品係列可提供從 500V 到 2000V 的額定電壓
，涵蓋廣泛的應用，包括用於400V 和 800V 的電動汽車電池係統。

我們還開發了一種瞬態液相燒結 (TLPS)技術，這是一種非焊接互連技術，能夠實現小尺寸高電容 MLCC 無引線堆棧，並可利用class-I C0G 電介質的溫度穩定性來實現高功率應用中無需冷卻即可達到 150℃甚至更高的工作溫度。

另一方麵，WBG 在數據中心服務器的應用一般是基於 GaN 技術。多年來
，典型的開關頻率一直停留在 300kHz 左右，但隨著 GaN技術的出現而增加，盡管目前仍然隻有大約 900kHz。在(zai)該(gai)領(ling)域(yu)，我(wo)們(men)發(fa)現(xian)磁(ci)性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)性(xing)能(neng)是(shi)主(zhu)要(yao)限(xian)製(zhi)因(yin)素(su)。電(dian)感(gan)器(qi)有(you)兩(liang)種(zhong)損(sun)耗(hao)機(ji)製(zhi)
，包(bao)括(kuo)繞(rao)組(zu)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)阻(zu)損(sun)耗(hao)以(yi)及(ji)鐵(tie)氧(yang)體(ti)或(huo)金(jin)屬(shu)複(fu)合(he)磁(ci)芯(xin)加(jia)熱(re)時(shi)的(de)能(neng)量(liang)損(sun)耗(hao)。理(li)想(xiang)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)在(zai)不(bu)影(ying)響(xiang)磁(ci)芯(xin)磁(ci)導(dao)率(lv)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)磁(ci)芯(xin)損(sun)耗(hao)，磁(ci)芯(xin)磁(ci)導(dao)率(lv)決(jue)定(ding)了(le)其(qi)抵(di)抗(kang)電(dian)路(lu)內(nei)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)和(he)在(zai)磁(ci)場(chang)中(zhong)存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)的(de)能(neng)力(li)。

zheshiwomentuanduiyijingjieshoudelingyigetiaozhan，erqiewomenyijingwanquanzhunbeihaoxuanbuzaicailiaokexuefangmiandexinjiejuefangan。zaibaochigaocidaolvdetongshi


，zhezhongxincailiaozhendui 1～5MHz 頻率範圍內最低損耗進行了優化，因此可以提高基於 GaN 轉換器的開關頻率。就像在 SiC 轉換器中一樣，提高開關頻率允許采用更小的電容和電感值，最終實現更高的功率密度。

提ti高gao電dian源yuan開kai關guan頻pin率lv還hai有you其qi他ta好hao處chu。可ke以yi大da大da降jiang低di保bao護hu主zhu處chu理li器qi等deng關guan鍵jian部bu件jian所suo需xu的de負fu載zai瞬shun態tai去qu耦ou電dian容rong。從cong曆li史shi上shang看kan
，這zhe些xie電dian容rong都dou采cai用yong鉭tan或huo鋁lv聚ju合he物wu電dian容rong器qi。減jian少shao對dui去qu耦ou電dian容rong的de依yi賴lai，可ke以yi將jiang一yi小xiao部bu分fen II 類 MLCC（例如 X5R、X6S 或 X7R 器件）zhijiefangzhizaichuliqifujin。womenmuqianzhengzainulidexiayigemubiaoshijianglvjuhewuquoudianrongqiqianrudaofengzhuangneidexinpianzaitizhong
，yupianshangguidianrongqiyiqigongzuo。zhekeyikefudangjinchuliqishejirenyuansuomianlindequoutiaozhan，bingzhichigenggaodezhuanhuanqipinlv，weilaikenenggaoda 10MHz 甚至更高。這些可能需要大約五年的工程努力。

我(wo)們(men)還(hai)發(fa)現(xian)
，提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)某(mou)一(yi)部(bu)分(fen)的(de)性(xing)能(neng)可(ke)能(neng)會(hui)陷(xian)入(ru)僵(jiang)局(ju)，需(xu)要(yao)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)更(geng)密(mi)切(qie)地(di)關(guan)注(zhu)係(xi)統(tong)的(de)其(qi)他(ta)部(bu)分(fen)以(yi)進(jin)行(xing)持(chi)續(xu)改(gai)進(jin)。我(wo)們(men)的(de)材(cai)料(liao)部(bu)門(men)為(wei)了(le)開(kai)發(fa)第(di)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)槽(cao)式(shi)（switched-tank）轉換器，特意製定了 U2J 陶瓷電介質。通過增加定製電感器幾何形狀以減少磁芯損耗，這些轉換器極大地提高了數據中心服務器分布式電源係統中 48V 到 12V 轉換的效率。

這些轉換器目前確定了 48V到12V 轉換效率的上限。當達到該限製時，關注點轉移到負載點 (POL) 轉換器上。在這裏，高性能處理器和 FPGA 在低數字電源電壓和高時鍾頻率組合控製下運行
，導致電流需求迅速變化，並達到峰值。通常用於為這些 IC gongdiandeduoxiangwenyaqihuiyaoqiushejirenyuanzaishuntaixiangyingyuwenbodianliuzhijianjinxingquanheng。shuntaixiangyinghuishoudaohendaxianzhi，yinweisuoyouxiangweidouxuyaoshijiananshunxuwending。ciwai，zhexieduoxiangwenyaqibuliyutigaogonglvmidu，yinweizaibaochijixiewendingxingdetongshi，jianxiaodianganqikuandubiandebuqieshiji。shuangraozu、四端電感器使跨電感器穩壓器 (TLVR) 的開發成為可能，其中所有相位能夠同時響應以實現更快的瞬態響應。 Yageo Group 旗下企業Pulse Electronics是 TLVR 電感器的市場領導者。

WBG 和噪聲發射

WBG 半導體的快速開關也給設計人員帶來了不想看到的挑戰：電氣噪聲輻射或 EMI/EMC。為了應對這一設計挑戰，使轉換器和逆變器符合相關標準要求，KEMET 的磁性元件小組開發了用於 EMI 共模扼流圈（Common Mode Chokes）的納米晶芯材料
，該材料能夠在更小的封裝內提供寬帶性能。

未來展望

包括先進材料

、新xin電dian路lu拓tuo撲pu以yi及ji對dui電dian容rong器qi和he電dian感gan器qi的de新xin需xu求qiu在zai內nei，我wo們men看kan到dao的de所suo有you進jin展zhan彼bi此ci之zhi間jian都dou相xiang互hu關guan聯lian，正zheng是shi這zhe些xie因yin素su的de共gong同tong作zuo用yong，才cai推tui動dong了le能neng源yuan效xiao率lv提ti高gao和he功gong率lv密mi度du的de不bu斷duan進jin步bu。但dan誰shui能neng知zhi道dao，我wo們men是shi否fou會hui在zai某mou個ge時shi間jian達da到dao一yi個ge極ji限xian
，再zai也ye不bu會hui有you超chao過guo這zhe個ge極ji限xian而er進jin一yi步bu改gai進jin的de可ke能neng？

（來源：YAGEO
，作者：YAGEO旗下企業 KEMET 應用工程高級總監 Peter A. Blaise）

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