【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）

henxianran，shejizhedediyigexiangfahuishitongguosuoxiaoqijiandetijilaitishenggonglvmidu。yaoshixianzheyimubiaobingburongyi，wulunshidianyuanqijianhaishimokuaifangan
，chengshushejizhongdebujiandoujiaoweiguding
，qiedadoushibiyaode，tongshisanrewentiyebuyunxucubaodijianglengquebujianmochu，huozhejinjinjiangbujianpincouzaiyiqi。

suirantiaozhanzhongzhong
，buguojinnianlaishejizhemenhaishitongguochuangxinsheji
，zaiqijianhuozhefangantijishangmianzuozulewenzhang，jiezhidaomuqian，womenkeyijiangzhexiechuangxinguileidaosangegengxifendefangxiangshang。shouxianshijianshaodachicundianganqi、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。

ruguoshejizhezhishidanchunzhuiqiukaiguanpinlvdetigao
，queshinenggouzaishuchudianganhejishengdianrongdengfangmianchangdaotiantou，danshikaiguansunhaoyehuitongguoxitonggonghaohesanredengwentidailaichengfa。zhegeshihou，shejizhemenjiuxuyaogenggaoxiaolvdetuopujikongzhifangshi。daolezhegejieduan
，shejizhemenwangwangjiuxuyaozaixiaolv、體(ti)積(ji)和(he)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)上(shang)麵(mian)做(zuo)平(ping)衡(heng)，比(bi)如(ru)設(she)計(ji)者(zhe)如(ru)果(guo)選(xuan)擇(ze)了(le)軟(ruan)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)
，那(na)麼(me)就(jiu)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)很(hen)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，且(qie)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)很(hen)低(di)
，但(dan)額(e)外(wai)增(zeng)加(jia)的(de)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)便(bian)使(shi)得(de)係(xi)統(tong)方(fang)案(an)在(zai)體(ti)積(ji)上(shang)有(you)所(suo)妥(tuo)協(xie)。

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

上shang述shu我wo們men談tan到dao了le提ti升sheng電dian源yuan功gong率lv密mi度du的de重zhong要yao性xing，並bing進jin一yi步bu解jie讀du了le提ti升sheng功gong率lv密mi度du會hui遇yu到dao的de挑tiao戰zhan
，以yi及ji目mu前qian比bi較jiao主zhu流liu的de一yi些xie實shi現xian方fang式shi。接jie下xia來lai，我wo們men來lai看kan一yi下xia貿mao澤ze電dian子zi在zai售shou的de一yi些xie出chu色se元yuan器qi件jian，它ta們men是shi怎zen樣yang幫bang助zhu係xi統tong提ti升sheng功gong率lv密mi度du的de？

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、高gao密mi度du的de服fu務wu器qi和he存cun儲chu產chan品pin追zhui求qiu更geng高gao的de功gong率lv密mi度du，然ran而er密mi集ji緊jin湊cou的de設she備bei往wang往wang需xu要yao費fei用yong昂ang貴gui的de冷leng卻que設she施shi才cai能neng正zheng常chang工gong作zuo，最zui終zhong在zai成cheng本ben和he功gong耗hao方fang麵mian都dou沒mei有you得de到dao實shi惠hui。

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、電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)等(deng)下(xia)遊(you)應(ying)用(yong)大(da)受(shou)裨(bi)益(yi)

，能(neng)夠(gou)持(chi)續(xu)創(chuang)造(zao)出(chu)前(qian)所(suo)未(wei)有(you)的(de)新(xin)市(shi)場(chang)。而(er)具(ju)備(bei)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)特(te)性(xing)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)是(shi)這(zhe)一(yi)切(qie)的(de)基(ji)石(shi)。貿(mao)澤(ze)電(dian)子(zi)提(ti)供(gong)了(le)豐(feng)富(fu)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)可(ke)用(yong)於(yu)提(ti)升(sheng)方(fang)案(an)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，幫(bang)助(zhu)工(gong)程(cheng)師(shi)朋(peng)友(you)用(yong)更(geng)低(di)的(de)總(zong)擁(yong)有(you)成(cheng)本(ben)實(shi)現(xian)自(zi)己(ji)方(fang)案(an)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)目(mu)標(biao)。

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