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突破功率密度障碍,TI创新解决方案技术解密

《名企发布会动态》
2024-03-12 14:45 来源:电源网原创 编辑:电源网

高功率密度,就是追求在更小的空间内实现更高的功率,从而以更低的系统成本增强系统功能。实现高功率密度的途径,一是减小体积,二是提高功率。于是,开关高频化就成了实现高功率密度普遍性的解决方案之一。目前,以氮化镓(GaN)为首的第三代半导体材料在提高开关频率,减小开关损耗上优势明显,进而使设备的尺寸更小、热性能更出色、效率更高。

德州仪器(TI)近年来在高功率密度方面不断突破,采用独特集成技术缩减封装尺寸,利用高级冷却技术提高热性能,以及通过多级转换器拓扑提高效率,全方位提升功率密度,满足市场对电源设计的整体需求。近日,更是一口气发布两款功率密度相关的功率转换器件产品,包括面向中压应用的100V集成式GaN功率级产品LMG2100R044和LMG3100R017,以及1.5W隔离式直流/直流模块UCC33420-Q1。

集成式GaN功率级产品,中压应用的创新之作

电子产品正朝着更小、更快、更强的方向演化。TI全新发布的100V集成式GaN功率级产品包括半桥模块LMG2100R044,以及单管GaN加上驱动的集成LMG3100R017,这两款产品都得益于TI对氮化镓的优化,它的最大特点是小体积和高功率密度。通过高度集成、更高开关效率和更小巧的磁性元件可实现高达1.5kW/in3以上的功率密度,印刷电路板(PCB)尺寸减小40%以上,以及更低的BOM数量,更低的整体系统成本。

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“做这个产品的时候,TI选择把驱动和GaN集成在一起,而且设计了半桥和单管这两种模式去满足不同的应用场合。通过减少损耗,可以把电源的设计频率推高。频率推高之后,电源系统设计的需求,包括电感、变压器和母排电容尺寸等都可以相应降低,从而使电源级系统的功率密度实现很高的提升。”德州仪器(TI)氮化镓产品业务负责人杨斐博士解释说:“通过把驱动和氮化镓集成到一起,印刷电路板的尺寸可以缩小40%。同时通过提升开关频率,整个电源的被动元件数量也可以相应减少,使功率密度可以达到1.5kW/in3以上。”

在提升功率密度的同时,TI也考虑到了系统散热。新品采用了热增强双面冷却封装技术简化散热设计,顶层和背面的双面散热,一方面可以缩小体积,另一方面可以把芯片产生的热量通过两面散出去,整个系统的散热成本都能得到优化,甚至在有某些应用中不需要任何散热器就可以满足系统的散热要求。

除此之外,新品还可以帮助工程师在不同的应用及常见拓扑中实现系统的整体优化,包括降压转换器、升压转换器、降压/升压转换器、LLC 转换器、PSFB、BLDC 电机驱动器和D类音频等。

举个微型逆变器的例子,从效率的角度来看,如果采用硅器件的设计,效率能达到94%-96%;而如果采用GaN,与硅和分立式解决方案相比,输出电容降低60%,栅极驱动器损耗降低50%,因此系统效率可提高至98%以上,这将为家用光伏系统或储能系统带来更多的经济效益。从功率密度的角度来看,使用了氮化镓器件后能提升频率,从而减小系统体积,实现系统功率密度的大幅提升。高功率密度带来的优势有很多:第一,更小的体积能满足客户在工业上的需求;第二,可以优化系统的整体成本,因为体积小了之后,系统安装、包装成本都会减小。从电源设置的角度来看,当频率提高后,包括输出电容、电感等被动元件的尺寸都会减小,这些组件减小之后,系统的BOM也会随之减小。新的氮化镓产品集成了驱动和GaN,所以外围需要的电路也非常少。因此,无论是从系统还是外围电路,是从整体还是局部,新品都能同时满足降低成本,提升系统效率以及提升功率密度三点。

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采用GaN技术提高功率密度可以使设备的尺寸更小、热性能更出色、功效更高。杨斐博士表示,虽然氮化镓的成本比较高,但作为功率器件,氮化镓带来的不仅仅是单个产品的提升,而是整个系统的提升,包括电感、输出及输入电容体积的减小,从整个电源的设计来看,还可以通过提高频率减少被动元件,从而实现整体系统成本的下降。此外,还包含系统中散热器的减小。从综合成本来看,氮化镓其实可以在系统中带来很多的优势。

TI还拥有丰富的GaN设计资源,包括功率损耗计算器、用于电路仿真的PLECS模型以及用于在更大系统中进行测试和运行的评估板,可以大幅帮助工程师缩短产品面市的时间。目前两款100V GaN产品均支持预量产,LMG2100R044 GaN功率级采用5.5mm x 4.5mm 16引脚QFN封装,LMG3100R017 GaN功率级采用6.5mm×4.0mm 16引脚QFN封装。参考设计覆盖微逆系统、数字中心设计和车载48V转12V等应用。

1.5W隔离式DC/DC模块,使偏置电源尺寸缩减89%以上

随着全球向车辆电气化的迈进,动力总成和BMS设计工程师不断在寻找新的方式来提高系统级的功率密度和效率。过去,隔离式辅助电源解决方案通常采用笨重、庞大且易受振动影响的变压器,设计的布局也因此变得很复杂,并且会导致较高的辐射 EMI。为应对此挑战,TI发布最新的隔离式辅助电源解决方案——新款1.5W隔离式DC/DC模块UCC33420-Q1。它在4mm×5mm的封装中集成了变压器,实现了以单一模块为多个IC供电,功率密度比分立式解决方案高8倍以上,功率密度比同类模块高3倍,并将外部元件减少50%,高度降低75%,尺寸缩小89%以上。

UCC33420-Q1是目前市场上率先采用超小型封装且符合汽车标准的1.5W隔离式DC/DC模块,可以应用在汽车的BMS、OBC、牵引逆变器、数字隔离器、CAN总线隔离,MCU、电压和电流传感器的隔离供电。在很多需要信号采集或者信号传输的场合,会用到通讯协议,也就需要用隔离把安全电压和具有危险的电压隔绝,这些地方都可以使用UCC33420。

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在介绍UCC33420-Q1的工作原理时,德州仪器(TI)中国区技术支持经理宁玉怀先生表示,UCC33420-Q1将隔离电源变压器、初级侧和次级侧电桥与控制逻辑集成到一个封装中,因此设计人员无需在BMS系统中使用变压器,从而提高可靠性、简化设计并加强抗振性。UCC33420-Q1同时采用EMI优化型变压器,使设计人员能够轻松满足最严苛的EMI要求,例如CISPR 32和CISPR25 5类合规标准,同时减少了元件数量并简化了滤波器设计。它具有大于200V/ns的业内超高共模瞬态抗扰性(CMTI)和低于3pF的初级到次级的电容,因此可承受极高的电压瞬变,有效抵抗噪声。

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“相比于上一代,第二代隔离电源UCC33420把开关频率提升了3倍以上,并优化了变压器设计,进一步降低成本。同时采用独特的效能控制,针对更快开关速度下EMI的透渗做了特别的处理,以保证在3倍的开关频率下拥有相同水准的效率。”宁玉怀补充道。

UCC33420除了汽车版本以外还有工业的版本,可以应用在充电桩、储能、医疗监控设备、工厂自动化IO模块、数据中心电源等领域。

目前,UCC33420和UCC33420-Q1隔离式DC/DC模块采用4mm×5mm 12引脚VSON封装,UCC33420-Q1的更低输入电压、输出电压和额定功率版本预计将于2024年第二季度面市。届时还将推出适于800V及以上应用的其他封装选项。

从处理能力更高的数据中心到空间受限的电动汽车系统,工程师越来越强烈地感受到在更小空间内实现更高功率,同时以更低成本增强功能的迫切性。TI希望凭借着自己的强大的创新力,完整的产业线,稳定可靠且长期的供货周期,以及对目标市场的深刻理解,全方位提升功率密度,为全球设计工程师提供更多更优秀的解决方案。

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