作者：德州儀器資深科技委員Laszlo Balogh
在現代電力輸送解決方案中，功率密度的重要性和價值不容低估。為了更確實瞭解高功率密度設計的基礎技術，本文將研究高功率密度解決方案的四個最重要層面：
- 減少耗損產生。
- 最佳拓樸和控制選擇。
- 有效排熱。
- 透過機械和電氣元件整合來減少系統體積。
我也將展示如何與 TI 合作，並使用支援這四個層面的先進技術功能和產品來協助您達到高功率密度指標。不過，讓我們先界定功率密度，並在依據功率密度資料比較解決方案時突顯一些重要的細節。
什麼是功率密度？
對於電源管理應用而言，功率密度的定義似乎不複雜：這是轉換器的額定 (或標稱) 輸出功率除以轉換器佔用的體積，如圖 1 所示。
圖 1：計算功率密度很容易，不過界定額定功率和體積的方式通常會導致不明確的情況。
不過，如果要依據電源密度比較電源，即使是這個簡單的界定也需要充分釐清。
輸出功率對應於轉換器在最不理想的環境條件下可以提供的連續輸出功率。相關的功率能力可能會受到環境溫度、可接受的最高機殼溫度、方向、高度和預期壽命的各種因素所影響。
另一方面，您可以依據轉換器的應用和構造，以多種不同方式界定電源供應的體積。可能會顯著影響體積而對於報告的電源功率密度產生影響的一些變數涵蓋包括或排除電磁干擾濾波器、風扇、機殼要求，以及輸入和輸出儲能電容，這些通常是要件，不過並不屬於許多模組化電源的一部份。因此，比較文獻中報告的功率密度資料時，必須瞭解和考量這些變數。
功率密度的歷史
讓我們快速回顧歷史，瞭解功率密度的優點源自何處以及這種趨勢從何開始。自從早期的開關模式電源轉換開始，效率就是促進電源技術創新的動力。開關模式電源轉換器可以突破線性電源的確定性效率，線性效率主要取決於輸入和輸出電壓比率以及少數可用的拓樸。
自從 1990 年代初期以來，由於個人運算、電子、電信和半導體技術日新月異，對於提高效率的需求大幅激增。電源解決方案效率提高也促進功率密度持續提高，如圖 2 所示。
圖 2：效率和功率密度在功率傳輸應用中息息相關。
許多次能源危機以及隨後的法規要求促使效率成為電力系統的要件，尤其是節能和整體擁有成本。在過去的十年中，高功率密度是公認的電力系統工程終極境界。
如何達到高功率密度
為了更確實瞭解功率密度，讓我們探究需要如何才能達到高功率密度。效率、尺寸和功率密度之間的特殊關係相當明顯，即使偶爾觀察也能看出如此的關係。
效率被視為達到高功率密度的要素，因為必須減少裝置的熱量。為了運用更高的效率，解決方案的體積 (也就是尺寸) 必須縮小。同時達到高效率和小尺寸需要能夠在高運作頻率下高效率運作的解決方案。這種解決方案尤其必須能夠：
- 減少切換損耗。可以提供低導通和低切換損耗的切換元件。
- 拓樸、控制和電路設計。需要正確的拓樸才能在高切換頻率下運作。依據應用的控制技術，考量到大多數轉換器拓樸可以依據不同的模式運作，例如傳統的方波脈衝寬度調製、零電壓或零電流轉換或全諧振模式，也必須採用控制方法和創新的電路。
- 整合。更高的運作效率對被動元件的縮放作用有助於縮小電源轉換器的尺寸。不過，功率密度難題有另外一個相當重要的部份，也就是整合，這可透過藉由矽技術以單一晶片結合電源和控制元件來達到。對於半導體裝置，設計人員運用整合多個半導體晶粒的多晶片模組技術，在許多情況下甚至運用被動裝置、電容和磁性元件。轉換器及其機殼的機械和印刷電路板設計必然是達到高功率密度的關鍵因素。
- 改善的熱性能。對於盡可能減少外部冷卻表面之間的溫度梯度和實際矽溫度，TI 的增強型封裝和先進的引線框架技術發揮重要的作用。這些技術以及具備的建模和優化功能促使熱性能改善，不僅可以達到高功率密度設計，而且有助於 TI 半導體裝置長時間穩定運作。
將這四個基礎技術相結合是許多成功執行的高功率密度設計必要的基礎。因此，您可以像報告卡一般檢視達到的功率密度，藉以對設計人員運用最合適的半導體技術所達到的程度進行評等，以並對於設計人員是否選擇正確的拓樸、控制方法、機械設計、熱管理和整合策略進行評等。
結論
如果您確實想要瞭解功率密度為何如此重要，除了將功率密度視為對電力工程的技術優勢進行排名的通用分數之外，您也必須退一步思考整個產業和社會如何由於提高的功率密度而受益。
例如，較小的實體尺寸通常會只需要較少的原材料使用量，這可能表示需要較低的材料成本。同樣地，較小的尺寸和較少的材料可能會導致重量減輕，這對於運輸部門的電力系統而言是極為重要的特性，有助於節省燃料或延長運輸距離。最後，隨著功率密度提高，小型化也得以實現。將這個層面推向極致，電源轉換產業可以打造以往難以想像的新市場。
如同這些範例所示，有鑑於製造商、使用者或操作員在系統獲得明確界定的經濟優勢，整體擁有成本能夠降低，因此功率密度相當重要。
我希望這些資訊以及相關的五段訓練視訊系列能夠啟發您瞭解我們公司和技術的更多資訊，這些技術可以使用我們先進的矽技術和高壓氮化鎵功率裝置達到領先業界的功率密度，從 5 V 以下的電源電壓一直到 600 V 以上。
