制約電源適配器頻率提升的局限是什么？

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制約電源適配器頻率提升的局限是什么？

中小功率場合，我理解為0-10kW, 高頻理解為1-3Mhz。電源適配器廠家玖琪實業(yè)在研究超高頻20Mhz的開關(guān)電路，但是由于功率僅局限于20W之內(nèi)，所以不再討論的話題之內(nèi)（真實原因是我不懂，哈哈）。
電源適配器廠家對于將頻率提升特別謹(jǐn)慎，在高頻狀態(tài)下，寄生參數(shù)帶來的不確定性尤其難以預(yù)測，以下是美國MPS的MP2160，其頻率高達(dá)3.5M，堪稱DC-DC領(lǐng)域的跑車。

類似于在微電子產(chǎn)業(yè)中著名的摩爾定律，從1970年開始，電力電子變換器的功率密度大約每十年增加一倍。這和功率半導(dǎo)體發(fā)展的軌跡密切相關(guān)，受益于硅器件封裝和溝道結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)展，開關(guān)頻率已經(jīng)推到了兆赫茲級別，被動元件的體積不斷減小，變換器提高了功率密度，但是高開關(guān)頻率帶來的高開關(guān)損耗、高磁芯損耗使得整個系統(tǒng)損耗大幅增加，散熱系統(tǒng)也隨之增加，所以現(xiàn)在阻礙電力電子變換器功率密度進(jìn)一步提高的技術(shù)屏障在散熱系統(tǒng)和高頻電磁設(shè)計，以及先進(jìn)的功率集成和封裝技術(shù)。

為了維持這個功率密度的發(fā)展速度，很多電力電子前沿研究已經(jīng)轉(zhuǎn)移到散熱基板研究，被動元件集成等方面的研究。就算現(xiàn)在把開關(guān)頻率提到很高，功率密度也是被這些因素制約的。
下面我稍微展開來說下：
1.開關(guān)損耗開關(guān)損耗確實是限制因素之一，但是氮化鎵器件的推出已經(jīng)讓開關(guān)損耗在1-3Mhz這個范圍內(nèi)變得可以接受，我下面附一張圖片，這是三家公司推出的650V的GaN device，可以看出最好的管子開通損耗已經(jīng)4uJ，關(guān)斷損耗在8uJ(測試條件在400V, 12A)，還有一家叫RFMD的公司，其650V的管子基本可以和Transphorm平齊。而同電壓電流等級的硅器件很多管子都還在以mJ為單位。下面在貼出一張低壓氮化鎵和硅器件的比較，可以看出，總體來說，驅(qū)動損耗也會變得很小。

還有一點很重要，寬禁帶半導(dǎo)體的工作結(jié)溫很高，以目前的工藝來說，Sic的結(jié)溫可以工作到200°，氮化鎵可以工作到150°。而硅器件呢，我覺得最多100°就不得了。結(jié)溫高，意味著相同損耗下，需要給寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)計的散熱器表面積要小很多，何況寬禁帶半導(dǎo)體的損耗本身還小。
但是開關(guān)頻率的提高，往往只能使用QFN或者其他一些表貼器件減少封裝寄生參數(shù)，這給散熱系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)，原來To封裝可以加散熱器，減少到空氣對流的熱阻，而現(xiàn)在不行了。所以如果想在高頻下工作，第一問題就是解決散熱，把高開關(guān)損耗導(dǎo)出去，尤其是在kW級別，散熱系統(tǒng)非常重要?，F(xiàn)在學(xué)界解決這個問題的手段偏向于把器件做成獨立封裝，采用一種叫DCB的技術(shù)，用陶瓷基板散熱，器件從陶瓷上表面到下表面的熱阻基本為0.4°C/W（有些人也用metal core PCB, 但是要加絕緣層，熱阻一般在4°C/W），而FR4為20°C/W。
總結(jié)一下，半導(dǎo)體不斷在發(fā)展，開關(guān)損耗也在顯著下降，而封裝越來越小，現(xiàn)在來看，我們要做的是怎么把那些熱量從那么小的表貼封裝下散出去。
熱處理可以通過數(shù)學(xué)建模搭建熱平臺來進(jìn)行西醫(yī)式地解決，這一點在老艾默生，華為與麥格米特是做得比較好的。通俗地描述“熱處理”，就是去火。電源適配器功率密度越來越大是一個趨勢，另外一個趨勢是標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。

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| 發(fā)布時間：2018.06.20 來源：電源適配器廠家

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