【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 gonglvjingtiguandequanxinzhuanhuanqiyuanxing
，womenyizhizaiciguochengzhongbaochiyutamendehezuo。tongguoyanjiuzhexiexingonglvkaiguanjishuduizhichidianlutichudexinyaoqiu，shiwomennenggoukaifa 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) 和he極ji低di的de熱re阻zu。它ta們men可ke以yi在zai低di兆zhao赫he頻pin率lv範fan圍wei內nei以yi最zui小xiao的de損sun耗hao運yun行xing
，並bing且qie可ke以yi處chu理li非fei常chang高gao的de紋wen波bo電dian流liu
，而er電dian容rong相xiang對dui於yu直zhi流liu電dian壓ya則ze沒mei有you變bian化hua。電dian容rong在zai整zheng個ge溫wen度du範fan圍wei內nei也ye非fei常chang穩wen定ding。由you於yu能neng夠gou在zai高gao達da 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。

這(zhe)是(shi)我(wo)們(men)團(tuan)隊(dui)已(yi)經(jing)接(jie)受(shou)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)，而(er)且(qie)我(wo)們(men)已(yi)經(jing)完(wan)全(quan)準(zhun)備(bei)好(hao)宣(xuan)布(bu)在(zai)材(cai)料(liao)科(ke)學(xue)方(fang)麵(mian)的(de)新(xin)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。在(zai)保(bao)持(chi)高(gao)磁(ci)導(dao)率(lv)的(de)同(tong)時(shi)，這(zhe)種(zhong)新(xin)材(cai)料(liao)針(zhen)對(dui) 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 供gong電dian的de多duo相xiang穩wen壓ya器qi會hui要yao求qiu設she計ji人ren員yuan在zai瞬shun態tai響xiang應ying與yu紋wen波bo電dian流liu之zhi間jian進jin行xing權quan衡heng。瞬shun態tai響xiang應ying會hui受shou到dao很hen大da限xian製zhi，因yin為wei所suo有you相xiang位wei都dou需xu要yao時shi間jian按an順shun序xu穩wen定ding。此ci外wai，這zhe些xie多duo相xiang穩wen壓ya器qi不bu利li於yu提ti高gao功gong率lv密mi度du，因yin為wei在zai保bao持chi機ji械xie穩wen定ding性xing的de同tong時shi，減jian小xiao電dian感gan器qi寬kuan度du變bian得de不bu切qie實shi際ji。雙shuang繞rao組zu、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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