【導讀】消費電子的小型化、一體化，汽車和工業設備的智能化，幾乎都是各行業不可逆的發展趨勢。在這樣的大趨勢下，係統設計麵臨著一個共同的難題：如何在有限的空間內實現更高的功率？

毫hao無wu疑yi問wen，對dui於yu電dian源yuan產chan品pin而er言yan，不bu斷duan追zhui求qiu更geng高gao的de功gong率lv密mi度du和he轉zhuan換huan效xiao率lv是shi一yi個ge常chang講jiang常chang新xin的de話hua題ti，設she計ji人ren員yuan將jiang持chi續xu在zai這zhe方fang麵mian埋mai首shou前qian行xing。今jin天tian，我wo們men的de話hua題ti也ye是shi圍wei繞rao功gong率lv密mi度du展zhan開kai，包bao括kuo提ti升sheng功gong率lv密mi度du的de挑tiao戰zhan和he方fang法fa
，以yi及ji貿mao澤ze電dian子zi在zai售shou的de
，能neng夠gou幫bang助zhu係xi統tong方fang案an提ti升sheng功gong率lv密mi度du的de優you秀xiu元yuan器qi件jian。

提高功率密度的方法論

要解釋何為功率密度其實並不複雜，通常我們會把它量化為單位體積內的功率量，如圖1所示

，也就是器件的額定功率除以器件體積所得到的數值，單位為瓦/立方米（W/m³）或瓦/立方英寸（W/in³）。

圖1：功率密度常用的表現形式

（圖源：TI）

很hen顯xian然ran，設she計ji者zhe的de第di一yi個ge想xiang法fa會hui是shi通tong過guo縮suo小xiao器qi件jian的de體ti積ji來lai提ti升sheng功gong率lv密mi度du。要yao實shi現xian這zhe一yi目mu標biao並bing不bu容rong易yi
，無wu論lun是shi電dian源yuan器qi件jian還hai是shi模mo塊kuai方fang案an

，成cheng熟shu設she計ji中zhong的de部bu件jian都dou較jiao為wei固gu定ding，且qie大da都dou是shi必bi要yao的de
，同tong時shi散san熱re問wen題ti也ye不bu允yun許xu粗cu暴bao地di將jiang冷leng卻que部bu件jian抹mo除chu，或huo者zhe僅jin僅jin將jiang部bu件jian拚pin湊cou在zai一yi起qi。

雖sui然ran挑tiao戰zhan重zhong重zhong
，不bu過guo近jin年nian來lai設she計ji者zhe們men還hai是shi通tong過guo創chuang新xin設she計ji，在zai器qi件jian或huo者zhe方fang案an體ti積ji上shang麵mian做zuo足zu了le文wen章zhang
，截jie止zhi到dao目mu前qian，我wo們men可ke以yi將jiang這zhe些xie創chuang新xin歸gui類lei到dao三san個ge更geng細xi分fen的de方fang向xiang上shang。首shou先xian是shi減jian少shao大da尺chi寸cun電dian感gan器qi、大(da)尺(chi)寸(cun)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)。在(zai)電(dian)源(yuan)方(fang)案(an)中(zhong)，這(zhe)些(xie)被(bei)動(dong)元(yuan)件(jian)往(wang)往(wang)會(hui)占(zhan)據(ju)很(hen)大(da)的(de)空(kong)間(jian)，是(shi)整(zheng)體(ti)方(fang)案(an)變(bian)大(da)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)之(zhi)一(yi)。為(wei)了(le)盡(jin)可(ke)能(neng)減(jian)小(xiao)被(bei)動(dong)元(yuan)件(jian)的(de)影(ying)響(xiang)，設(she)計(ji)師(shi)們(men)想(xiang)到(dao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)提(ti)升(sheng)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)以(yi)及(ji)拓(tuo)撲(pu)創(chuang)新(xin)等(deng)。其(qi)次(ci)是(shi)減(jian)少(shao)散(san)熱(re)部(bu)件(jian)的(de)使(shi)用(yong)。事(shi)實(shi)證(zheng)明(ming)更(geng)好(hao)的(de)封(feng)裝(zhuang)形(xing)式(shi)和(he)先(xian)進(jin)的(de)引(yin)線(xian)框(kuang)架(jia)能(neng)夠(gou)做(zuo)到(dao)這(zhe)一(yi)點(dian)。目(mu)前(qian)各(ge)大(da)廠(chang)商(shang)都(dou)有(you)自(zi)己(ji)拿(na)手(shou)的(de)
、jijutesedefengzhuangfangshi。disangefangxiangshijishanggengxiangshiqianmianlianggefangxiangdeyanshen，najiushijicheng，benzhishiranggengduodeyuanjianchuxianzaiyigefengzhuangzhong，yincixuyaozaixitongshejihefengzhuangshangmiantongshixiangbanfa。yigejuyoudaibiaoxingdelizishijiangfankuidianlujichengdaogelishiDC/DC器件的內部，讓這一局部方案的體積明顯變小。

剛剛也講到了提升開關頻率這一點，它其實也關乎到提升功率密度的另一條路徑——以(yi)提(ti)升(sheng)效(xiao)率(lv)為(wei)主(zhu)要(yao)手(shou)段(duan)讓(rang)器(qi)件(jian)的(de)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)到(dao)達(da)更(geng)高(gao)的(de)水(shui)平(ping)。實(shi)際(ji)上(shang)

，更(geng)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)和(he)更(geng)高(gao)的(de)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)並(bing)不(bu)能(neng)畫(hua)等(deng)號(hao)


，它(ta)們(men)中(zhong)間(jian)有(you)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)的(de)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)——開關損耗。

如ru果guo設she計ji者zhe隻zhi是shi單dan純chun追zhui求qiu開kai關guan頻pin率lv的de提ti高gao，確que實shi能neng夠gou在zai輸shu出chu電dian感gan和he寄ji生sheng電dian容rong等deng方fang麵mian嚐chang到dao甜tian頭tou，但dan是shi開kai關guan損sun耗hao也ye會hui通tong過guo係xi統tong功gong耗hao和he散san熱re等deng問wen題ti帶dai來lai懲cheng罰fa。這zhe個ge時shi候hou，設she計ji者zhe們men就jiu需xu要yao更geng高gao效xiao率lv的de拓tuo撲pu及ji控kong製zhi方fang式shi。到dao了le這zhe個ge階jie段duan
，設she計ji者zhe們men往wang往wang就jiu需xu要yao在zai效xiao率lv
、tijihekaiguanpinlvshangmianzuopingheng，birushejizheruguoxuanzeleruankaiguanjishu，namejiunenggoushixianhengaodekaiguanpinlv，qiekaiguansunhaohendi，danewaizengjiadewuyuanqijianbianshidexitongfanganzaitijishangyousuotuoxie。

在功率器件領域，除了圍繞傳統矽器件本身做文章外，材料的創新有時也會帶來巨大的性能提升。比如
，在談論功率密度時
，GaN（氮化镓）憑借零反向複原、低輸出電荷和高電壓轉換率等突出優勢，能夠幫助廠商大幅提升係統密度，而另一種主流的寬帶隙半導體材料SiC（碳化矽）也是提升功率密度的上佳選擇。

高功率密度電源係統的理想之選

shangshuwomentandaoletishengdianyuangonglvmidudezhongyaoxing
，bingjinyibujieduletishenggonglvmiduhuiyudaodetiaozhan

，yijimuqianbijiaozhuliudeyixieshixianfangshi。jiexialai，womenlaikanyixiamaozedianzizaishoudeyixiechuseyuanqijian，tamenshizenyangbangzhuxitongtishenggonglvmidude？

第一款器件為大家推薦來自製造商Vicor的一款非隔離式穩壓DC轉換器，貿澤電子上的製造商器件編號為DCM3717S60E14G5TN0。

圖2：DCM3717非隔離式穩壓DC轉換器

（圖源：Vicor）

DCM3717非隔離式穩壓DC轉換器是一款48V至負載點穩壓DC轉換器，具有寬輸入範圍：40V_DC至60V_DC
，和寬輸出範圍：10V_DC至13.5V_DC。憑借Vicor獲得專利的零電壓開關（ZVS）降壓-升壓穩壓器和正弦振幅轉換器（SAC），再輔助以SM-ChiP這種領先的封裝形式，DCM3717無論是器件本身，還是基於其打造的電源係統，都會是高功率密度的出色產品，適用於數據中心、高性能計算係統、汽車和工業市場。

器件層麵

，如圖3所示

，ZVS降壓-升壓穩壓器是DCM3717的第一級模塊。通過采用ZVS技術，DCM3717的開關頻率超過1MHz，持續運行功率可達750W（62.5A），瞬時峰值功率可達900W（75A）
，峰值效率為97%。

圖3：DCM3717係統框圖

（圖源：Vicor）

為了盡可能地提供高效率，DCM3717中的ZVS升降壓級具有遲滯脈衝跳躍模式，在輕負載條件下，可以跳過開關周期
，以顯著降低柵極驅動功率，並提高效率。同時，ZVS升降壓級還支持變頻操作
，工作頻率可以根據需要從基本頻率降低，通過降低工作頻率或延長每個開關周期
，從而保持高效率。DCM3717中的第二級，也就是電流倍增級也會響應這種變頻操作。

通過圖4和圖5能夠看出
，在V_OUT=10.0V
，溫度為25°C和100°C情況下
，DCM3717都可以有97%峰值效率的高效表現。而在其他測試條件下
，這種高效表現都得以延續。

圖4：V_OUT=10.0V，25°C下的效率表現

（圖源：Vicor）

圖5：V_OUT=10.0V，100°C下的效率表現

（圖源：Vicor）

通常情況下，為實現高效率和高開關頻率

，軟開關的使用一般會犧牲係統尺寸
，而DCM3717作為一款緊湊的方案
，37mm × 17mm × 7.4mm的封裝尺寸未見絲毫妥協。其中一部分功勞要給到SM-ChiP封裝，這種創新的封裝形式不僅讓ZVS和SAC帶來了出色的功率密度，同時也提供了靈活的散熱管理選項
，頂側和底側熱阻非常低。

方案層麵，通過圖6和圖7可以非常直觀地感受到，由於器件本身的集成優勢，典型應用電路的外圍電路非常簡單，使客戶能夠達成以前無法實現的係統尺寸
、重量和效率屬性
，打造低成本、高效的電力係統解決方案。

圖6：DCM3717單模塊典型應用電路

（圖源：Vicor）

圖7：DCM3717雙模塊典型應用電路

（圖源：Vicor）

這種創新的器件設計和封裝形式打破了數據中心領域的“功率密度悖論（Power Density Paradox
，PDP）”。此前部分企業在部署數據中心時
，通過使用小尺寸、gaomidudefuwuqihecunchuchanpinzhuiqiugenggaodegonglvmidu，ranermijijincoudeshebeiwangwangxuyaofeiyongangguidelengquesheshicainengzhengchanggongzuo
，zuizhongzaichengbenhegonghaofangmiandoumeiyoudedaoshihui。

而造成“功率密度悖論”的一個重要原因就是設備中的功率器件隻單純地追求小，忽略了散熱這個大問題。而DCM3717在追求高效、集成的同時
，提供了靈活的散熱管理選項
，再加上SM-ChiP封裝本身的高散熱效率，可以幫助設計者輕鬆解決“功率密度悖論”。

高功率密度的SiC溝槽式MOSFET

新材料也是廠商提升器件功率密度的一個重要手段。我們在技術創新的部分用GaN進行了舉例
，大家可以借助英飛淩的IGO60R070D1AUMA1對此深入了解

，感受產品的高功率密度表現。

而接下來，我們將通過英飛淩另一款器件來介紹
，SiC技術同樣是一種提升器件功率密度的優質路線。圖8是一款英飛淩汽車用1200V SiC溝槽式MOSFET新品
，貿澤電子的供應商器件編號為AIMW120R060M1HXKSA1。

圖8：AIMW120R060M1HXKSA1

（圖源：英飛淩）

AIMW120R060M1HXKSA1專為滿足汽車行業對高效、可靠性、質量和性能的高要求而設計。與此同時
，受益於英飛淩CoolSiC MOSFET技術，這款器件不僅本身具有更高的功率密度，同時在係統方案方麵，能夠幫助方案符合新法規對電動汽車更高能效的要求。

根據製造工藝的差異，SiC器件會有平麵式和溝槽式兩種主流的方式。英飛淩CoolSiC MOSFET技術屬於後者，其優勢是更容易達到性能要求而不偏離柵極氧化層的安全條件。憑借在SiC超過20年的研發經驗，英飛淩CoolSiC MOSFET技術可以帶來出色的性能、可靠性和易用性。在此特別提一下英飛淩對於基準柵極閾值電壓VGS(th)的調整，為了防止器件出現“誤導通”，英飛淩將VGS(th)重新設計在大於4V之上，從而降低了噪音帶來的“誤導通”。AIMW120R060M1HXKSA1的V為4.5V。

綜合而言，AIMW120R060M1HXKSA1的產品優勢包括開關中的低柵極電荷和器件電容
、反並聯二極管無反向恢複損耗
、與溫度無關的低開關損耗，以及無閾值通態特性等
，因此該器件具有出色的功率密度、頻率和效率。

AIMW120R060M1HXKSA1潛在的應用包括車載充電器/PFC、升壓/直流-直流轉換器以及輔助逆變器。為了方便工程師朋友從傳統的Si IGBT應用順利切換到SiC MOSFET，這款器件提供了和IGBT驅動相兼容的電壓（導通電壓為18V），讓方案升級更容易。

當用於係統方案時，更高的開關頻率意味著AIMW120R060M1HXKSA1可幫助設計者減少磁性組件體積和重量達5%，係xi統tong的de冷leng卻que器qi件jian和he耗hao能neng得de以yi減jian少shao，一yi方fang麵mian讓rang係xi統tong具ju有you更geng高gao的de功gong率lv密mi度du，另ling一yi方fang麵mian也ye幫bang助zhu設she計ji者zhe顯xian著zhu降jiang低di應ying用yong成cheng本ben。以yi輔fu助zhu逆ni變bian器qi應ying用yong為wei例li，在zai汽qi車cheEPS（電動助力轉向）應用中，可以通過輔助逆變器來控製所需要的電動機。在智能座艙的趨勢下，各個功能器件可以使用的空間都明顯縮小，而AIMW120R060M1HXKSA1無疑是解決問題的好辦法。同時
，其他需要輔助逆變器的應用，比如空調壓縮機、車載充電器
、主動底盤控製等也可以受益於這一優勢


，此外重量的減輕則契合了汽車節能環保的理念。

持續追求更高的功率密度

近幾年，追求更高的功率密度已經成為電源係統工程的終極目標，設計師們圍繞開關頻率、開關損耗、創新拓撲、高效集成、先進封裝等多維度攀登高功率密度的山峰。在此過程中，包括數據中心、高性能運算、diandongqichedengxiayouyingyongdashoubiyi，nenggouchixuchuangzaochuqiansuoweiyoudexinshichang。erjubeigaogonglvmidutexingdeyuanqijianshizheyiqiedejishi。maozedianzitigonglefengfudeyuanqijiankeyongyutishengfangandegonglvmidu，bangzhugongchengshipengyouyonggengdidezongyongyouchengbenshixianzijifangangaogonglvmidudemubiao。

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