功率设备提升功率密度的方法

在电力电子系统的设计和优化中，功率密度是一个不容忽视的指标。它直接关系到设备的体积、效率以及成本。以下提供四种提高电力电子设备功率密度的有效途径。

 

1. 高频开关操作的实施

开关频率是衡量功率器件运行速度的参数。高频率运作，如数kHz至MHz以上，可显著提升功率设备的功率密度，因为较短时间内设备能生成更多功率。

例如，SiC和GaN等晶体管技术比基于硅半导体具备更高的开关频率，其中GaN的开关频率最高可达吉赫兹量级。这两种技术在尺寸较小时具有更高的功率密度。

为实现更高的工作频率，在功率芯片中嵌入小型电感器和电容器是基础措施之一。高频磁材料的选用及合适的绕线配置都可能提高功率密度。此外，优化门电路、减少寄生参数和降低寄生元件的方法也同样重要。

 

2. 有效的热管理

功率设备系统的高效热管理是实现高效率和功率密度的关键。务必提升元件的热性能以管理电流产生的热效应。包装必须单位体积散发更多热量，以提高功率密度。

在电力半导体产业中，为了降低系统成本而不断追求高度集成，这对散热提出了挑战。如果包装设计没有良好散热，温度上升将增加转换器及其他电力电子设备的功率损耗。热通道、液体冷却、直接倒装铜、适用于表面贴装的小封装晶体管以及先进的热接口材料等都是一些先进的散热技术。

 

3. 进一步的小型化

所有功率系统组件整合到单一芯片上是小型化的最佳方案。这可以通过采用高级集成技术、减小芯片组件的尺寸和使用高效的互联技术来实现。功率系统的组件，如开关、驱动器、滤波器、电流传感器、无源组件和散热器等，占据了大部分空间。

小型化无源组件（如电阻、电容、电感等）是增加功率密度的基本方法之一。此类组件在电力操作中负责存储和转换能量。通过提高设备的开关频率来减小无源组件的大小是可行的。高开关频率允许在开关周期中使用更少的能量。此外，采用先进的调制技术（如PWM）和控制算法也有利于提高功率密度。

 

4. 减少损耗

尽管提高开关频率基本上是增加功率密度的有效途径，但开关损耗却是一个限制因素。半导体器件的高导通电阻是导致开关损耗和寄生电容增加的原因。

另一种降低功率密度的损耗是功率MOSFET的反向恢复损耗。在功率MOSFET内部主体二极管反向偏置且器件处于“关闭”状态时，却存在恢复电流穿过半导体，这种损耗降低了功率器件单位体积内最大电流的能力。

优化功率MOSFET的设计并减少开通时间之间的延迟可以减少反向恢复损耗。通过优化PCB布局减少大部分损耗从而提高功率器件的功率密度。