工業(yè)電源模塊對功率器件的要求

工業(yè)電源的作用是將交流電轉換為直流電，在工業(yè)領(lǐng)域為設備提供穩定的電力供應，在工業(yè)自動(dòng)化、通訊、醫療、數據中心、新能源儲能等領(lǐng)域廣泛使用。與普通的電源相比，工業(yè)電源應用環(huán)境苛刻復雜，對電源的穩定性要求更高，需滿(mǎn)足一些特殊要求，如低功耗、高功率密度、高可靠性和高耐用性，同時(shí)，它對EMI和穩定性的要求也比其它應用更為嚴格。

按在電能轉換過(guò)程中的位置做分類(lèi)，電源可分為一次電源和二次電源。模塊電源屬于二次電源，是采用優(yōu)化的電路和結構設計，利用先進(jìn)的工藝和封裝技術(shù)制造， 形成的一個(gè)結構緊湊、體積小、高可靠的電子穩壓電源。

模塊電源按輸出功率分主要有小功率（1W~10W）、中功率（10W~100W）和大功率（100W以上）；按輸入輸出類(lèi)型分為AC/DC（交流輸入直流輸出）和DC/DC（直流輸入直流輸出）；按隔離方式分為隔離型（輸入輸出之間有隔離變壓器）和非隔離型（輸入輸出之間無(wú)隔離變壓器）；按封裝形式分為插拔式（可以插拔安裝在印刷電路板上）和焊接式（需要焊接安裝在印刷電路板上）。

工業(yè)電源通常需要提供穩定且連續的電力來(lái)滿(mǎn)足各種工業(yè)設備的需求。為此，工業(yè)電源通常采用高質(zhì)量的元器件，且配備先進(jìn)的控制和調節系統來(lái)確保其輸出電壓和頻率的穩定性。此外，工業(yè)電源還需具備高效率和良好的散熱性能，能夠滿(mǎn)足工業(yè)場(chǎng)合對于能源效率和設備穩定性的高要求，為此對電感元器件也提出了以下需求。

首先就是低損耗、高效率需求，在工業(yè)領(lǐng)域會(huì )使用大量智能設備和傳感器，所以工業(yè)電源的低功耗就成了關(guān)注度很高的需求，主要需要減少設備發(fā)熱，提升電源輸出效率。為滿(mǎn)足工業(yè)電源的低功耗和高效率需求，設計電感產(chǎn)品時(shí)應選用低損耗磁芯和線(xiàn)材。電感損耗主要由磁芯和電感線(xiàn)圈來(lái)決定，磁芯和線(xiàn)圈損耗越大，輸出效率越低，發(fā)熱越明顯。

在低功耗的前提下，高功率密度也是需求度很高的一環(huán)，在追求電源系統內部功率轉換器小型化的同時(shí)，實(shí)現高效的大功率輸出。順應高功率密度趨勢，設計應用于工業(yè)電源的電感時(shí)除了選擇低損耗材料，還要進(jìn)行結構設計優(yōu)化，滿(mǎn)足小型化、小體積需求。

并且元器件需承載大電流，許多工業(yè)設備應用功率可達數百甚至數千瓦，因此工業(yè)電源大都采用大功率方案。應用于工業(yè)電源的電感必須在高瞬態(tài)峰值電流情況下保持足夠的電感值，以保障電路的正常工作。同時(shí)還需要長(cháng)時(shí)間承受持續大電流輸出，保持電感表面溫升不超出規定值。

高可靠性及抗干擾能力也十分重要，工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境復雜，電源系統會(huì )受到高低溫、振動(dòng)、噪音、電磁干擾等因素影響，電感產(chǎn)品要能在高負載和惡劣環(huán)境下穩定工作，具備抗沖擊和抗機械振動(dòng)，抗電磁干擾等特征，還要在高低溫環(huán)境下保持良好的電氣性能。并且在高功率密度設計的電路方案中，元器件的高密度安裝，必然會(huì )導致電磁干擾問(wèn)題，采用磁屏蔽結構有助于增強電感的抗干擾能力，提高電源系統的穩定性和可靠性。

電源的主要需求為低輸出紋波、低溫升、高集成度，以滿(mǎn)足日益復雜的IC特性參數精確測試，這對電源設計提出了新的挑戰。對比傳統工業(yè)電源，不斷更新的電源設計對集成化、智能化、精確度、高效小型化等需求愈發(fā)強烈?？蛻?hù)大多希望采用模塊化的電源產(chǎn)品。模塊電源主要用于電力電子、軍工、工業(yè)控制、汽車(chē)電子、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。由于采用模塊組建電源系統具有設計周期短、可靠性高、系統升級容易等特點(diǎn)，模塊電源的應用越來(lái)越廣泛，對使用的電感也提出越來(lái)越高的要求，要求小體積、大電流，能適用于高頻高溫環(huán)境等。

相比DC-DC隔離電源模塊，非隔離DC-DC電源模塊效率更高，大多電源廠(chǎng)商的非隔離電源模塊的效率都能達到91%以上。其主要用于電力電子、軍工、科研、工業(yè)控制、汽車(chē)電子、航空航天等工業(yè)性質(zhì)領(lǐng)域，對使用的電感要求小體積、大電流，適用于高頻高溫環(huán)境。

在選擇電源轉換器和開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足工業(yè)應用挑戰性需求的電源時(shí)，必須平衡多種選擇和權衡與項目?jì)?yōu)先級。雖然有很多方法可以做到這一點(diǎn)，但最常見(jiàn)的方法是從電源需要提供的功率（以W為單位）開(kāi)始，以及輸入和輸出隔離的任何需求。

而工控電源主要用來(lái)控制負載的運轉，作為工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵組成部分，其性能和可靠性對于生產(chǎn)效率和設備管理至關(guān)重要。應用于工業(yè)控制電源的元件需具有更高的魯棒性（Robust），尤其是在電路短路時(shí)也能夠承受過(guò)電流，能夠承受更寬的工作溫度范圍的同時(shí)還要具有功率效率。

高效的AC/DC轉換器設計無(wú)法通過(guò)單一設計來(lái)實(shí)現，首先應該為轉換器選擇合適的內核拓撲結構，并確定最適合該方法和功率電平的開(kāi)關(guān)頻率;該頻率通常在100千赫茲（kHz）和1兆赫茲（MHz）之間。并且需要優(yōu)化電路，在任何基本設計中都存在許多小的低效率來(lái)源，電源工程師已經(jīng)確定了部分或大部分最大優(yōu)化效率方法，并使用傳統有利于提高效率的有源和無(wú)源元件，對于功率器件（MOSFET）和一些二極管，現在已經(jīng)演變成基于碳化硅（SiC）工藝技術(shù)的元件?？傮w來(lái)說(shuō)，碳化硅技術(shù)現在成為下一代低損耗開(kāi)關(guān)和阻斷元件最可行的材料，因為它具有低導通電阻和高溫下的優(yōu)越特性。與單獨使用硅相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，因為它具有更高的擊穿電壓和其他特性，包括：更高的臨界擊穿電場(chǎng)電壓，因此可以在給定的額定電壓下工作，并可大大降低導通電阻。而且其具有更高的導熱性，從而在橫截面積上產(chǎn)生更高的電流密度。SiC二極管和FET通常被稱(chēng)為寬帶隙（WBG）器件，因其帶隙寬，高溫下的漏電流低，所以也是作為AC/DC轉換器最佳的元件。

無(wú)論是基于硅還是碳化硅，MOS-FET的開(kāi)關(guān)都必須仔細考慮與柵極驅動(dòng)電壓、電流、壓擺率、瞬變、過(guò)沖、輸入電容和電感以及許多其他靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素相關(guān)的許多細節。柵極驅動(dòng)器充當來(lái)自控制處理器輸出的低電平、相對簡(jiǎn)單的信號與開(kāi)關(guān)器件的柵極輸入之間的接口。它是一種特殊類(lèi)型的電源轉換器，其輸出與功率器件的要求相匹配。

當一對開(kāi)關(guān)器件以半橋或全橋等常見(jiàn)排列方式使用時(shí)，驅動(dòng)器模塊還必須確保高邊和低端器件即使在一瞬間也不會(huì )同時(shí)導通，因為這會(huì )導致電源軌和接地之間的短路。此外，在某些功率器件應用中，一個(gè)或兩個(gè)功率器件路徑必須與系統接地電氣隔離，同時(shí)仍為每個(gè)路徑提供匹配的性能。

新能源汽車(chē)和新能源儲能設備的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了電池檢測市場(chǎng)的發(fā)展。但從現在的新能源開(kāi)發(fā)及應用來(lái)講，太陽(yáng)能行業(yè)應該是獨占鰲頭的。據權威雜志預測：太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀會(huì )占據世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。預計到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30％以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應中的占比也將達到10％以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50％以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20％以上；新能源電池檢測設備能有效提升電池的安全性，延長(cháng)電池的使用壽命。電池檢測技術(shù)壁壘高，應用于新能源電池檢測設備的電感也需要滿(mǎn)足穩定可靠、寬頻寬溫、耐大電流等需求，同時(shí)要求緊湊型設計結構。

由于應用環(huán)境的壓力，工業(yè)電源和轉換器的設計人員在實(shí)現性能、成本、空間和可靠性要求方面面臨著(zhù)一系列獨特的挑戰。高功率水平需要額外考慮效率、散熱和封裝。還有柵極驅動(dòng)器和電流檢測問(wèn)題需要解決。通過(guò)適當考慮應用的要求，可以輕松應對工業(yè)級電源和轉換器的挑戰。