功率設備提升功率密度的方法

在電力電子系統的設計和優化中，功率密度是一個不容忽視的指標。它直接關系到設備的體積、效率以及成本。以下提供四種提高電力電子設備功率密度的有效途徑。

1. 高頻開關操作的實施

開關頻率是衡量功率器件運行速度的參數。高頻率運作，如數kHz至MHz以上，可顯著提升功率設備的功率密度，因為較短時間內設備能生成更多功率。

例如，SiC和GaN等晶體管技術比基于硅半導體具備更高的開關頻率，其中GaN的開關頻率最高可達吉赫茲量級。這兩種技術在尺寸較小時具有更高的功率密度。

為實現更高的工作頻率，在功率芯片中嵌入小型電感器和電容器是基礎措施之一。高頻磁材料的選用及合適的繞線配置都可能提高功率密度。此外，優化門電路、減少寄生參數和降低寄生元件的方法也同樣重要。

2. 有效的熱管理

功率設備系統的高效熱管理是實現高效率和功率密度的關鍵。務必提升元件的熱性能以管理電流產生的熱效應。包裝必須單位體積散發更多熱量，以提高功率密度。

在電力半導體產業中，為了降低系統成本而不斷追求高度集成，這對散熱提出了挑戰。如果包裝設計沒有良好散熱，溫度上升將增加轉換器及其他電力電子設備的功率損耗。熱通道、液體冷卻、直接倒裝銅、適用于表面貼裝的小封裝晶體管以及先進的熱接口材料等都是一些先進的散熱技術。

3. 進一步的小型化

所有功率系統組件整合到單一芯片上是小型化的最佳方案。這可以通過采用高級集成技術、減小芯片組件的尺寸和使用高效的互聯技術來實現。功率系統的組件，如開關、驅動器、濾波器、電流傳感器、無源組件和散熱器等，占據了大部分空間。

小型化無源組件（如電阻、電容、電感等）是增加功率密度的基本方法之一。此類組件在電力操作中負責存儲和轉換能量。通過提高設備的開關頻率來減小無源組件的大小是可行的。高開關頻率允許在開關周期中使用更少的能量。此外，采用先進的調制技術（如PWM）和控制算法也有利于提高功率密度。

4. 減少損耗

盡管提高開關頻率基本上是增加功率密度的有效途徑，但開關損耗卻是一個限制因素。半導體器件的高導通電阻是導致開關損耗和寄生電容增加的原因。

另一種降低功率密度的損耗是功率MOSFET的反向恢復損耗。在功率MOSFET內部主體二極管反向偏置且器件處于“關閉”狀態時，卻存在恢復電流穿過半導體，這種損耗降低了功率器件單位體積內最大電流的能力。

優化功率MOSFET的設計并減少開通時間之間的延遲可以減少反向恢復損耗。通過優化PCB布局減少大部分損耗從而提高功率器件的功率密度。