高功率密度，就是追求在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率，從而以更低的系統(tǒng)成本增強(qiáng)系統(tǒng)功能。實(shí)現(xiàn)高功率密度的途徑，一是減小體積，二是提高功率。于是，開關(guān)高頻化就成了實(shí)現(xiàn)高功率密度普遍性的解決方案之一。目前，以氮化鎵(GaN)為首的第三代半導(dǎo)體材料在提高開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗上優(yōu)勢明顯，進(jìn)而使設(shè)備的尺寸更小、熱性能更出色、效率更高。

德州儀器(TI)近年來在高功率密度方面不斷突破，采用獨(dú)特集成技術(shù)縮減封裝尺寸，利用高級(jí)冷卻技術(shù)提高熱性能，以及通過多級(jí)轉(zhuǎn)換器拓?fù)涮岣咝?，全方位提升功率密度，滿足市場對(duì)電源設(shè)計(jì)的整體需求。近日，更是一口氣發(fā)布兩款功率密度相關(guān)的功率轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)品，包括面向中壓應(yīng)用的100V集成式GaN功率級(jí)產(chǎn)品LMG2100R044和LMG3100R017，以及1.5W隔離式直流/直流模塊UCC33420-Q1。

集成式GaN功率級(jí)產(chǎn)品，中壓應(yīng)用的創(chuàng)新之作

電子產(chǎn)品正朝著更小、更快、更強(qiáng)的方向演化。TI全新發(fā)布的100V集成式GaN功率級(jí)產(chǎn)品包括半橋模塊LMG2100R044，以及單管GaN加上驅(qū)動(dòng)的集成LMG3100R017，這兩款產(chǎn)品都得益于TI對(duì)氮化鎵的優(yōu)化，它的最大特點(diǎn)是小體積和高功率密度。通過高度集成、更高開關(guān)效率和更小巧的磁性元件可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.5kW/in³以上的功率密度，印刷電路板(PCB)尺寸減小40%以上，以及更低的BOM數(shù)量，更低的整體系統(tǒng)成本。

“做這個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候，TI選擇把驅(qū)動(dòng)和GaN集成在一起，而且設(shè)計(jì)了半橋和單管這兩種模式去滿足不同的應(yīng)用場合。通過減少損耗，可以把電源的設(shè)計(jì)頻率推高。頻率推高之后，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，包括電感、變壓器和母排電容尺寸等都可以相應(yīng)降低，從而使電源級(jí)系統(tǒng)的功率密度實(shí)現(xiàn)很高的提升?！钡轮輧x器(TI)氮化鎵產(chǎn)品業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人楊斐博士解釋說：“通過把驅(qū)動(dòng)和氮化鎵集成到一起，印刷電路板的尺寸可以縮小40%。同時(shí)通過提升開關(guān)頻率，整個(gè)電源的被動(dòng)元件數(shù)量也可以相應(yīng)減少，使功率密度可以達(dá)到1.5kW/in³以上?！?

在提升功率密度的同時(shí)，TI也考慮到了系統(tǒng)散熱。新品采用了熱增強(qiáng)雙面冷卻封裝技術(shù)簡化散熱設(shè)計(jì)，頂層和背面的雙面散熱，一方面可以縮小體積，另一方面可以把芯片產(chǎn)生的熱量通過兩面散出去，整個(gè)系統(tǒng)的散熱成本都能得到優(yōu)化，甚至在有某些應(yīng)用中不需要任何散熱器就可以滿足系統(tǒng)的散熱要求。

除此之外，新品還可以幫助工程師在不同的應(yīng)用及常見拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化，包括降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器、LLC 轉(zhuǎn)換器、PSFB、BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和D類音頻等。

舉個(gè)微型逆變器的例子，從效率的角度來看，如果采用硅器件的設(shè)計(jì)，效率能達(dá)到94%-96%；而如果采用GaN，與硅和分立式解決方案相比，輸出電容降低60%，柵極驅(qū)動(dòng)器損耗降低50%，因此系統(tǒng)效率可提高至98%以上，這將為家用光伏系統(tǒng)或儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。從功率密度的角度來看，使用了氮化鎵器件后能提升頻率，從而減小系統(tǒng)體積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率密度的大幅提升。高功率密度帶來的優(yōu)勢有很多：第一，更小的體積能滿足客戶在工業(yè)上的需求；第二，可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體成本，因?yàn)轶w積小了之后，系統(tǒng)安裝、包裝成本都會(huì)減小。從電源設(shè)置的角度來看，當(dāng)頻率提高后，包括輸出電容、電感等被動(dòng)元件的尺寸都會(huì)減小，這些組件減小之后，系統(tǒng)的BOM也會(huì)隨之減小。新的氮化鎵產(chǎn)品集成了驅(qū)動(dòng)和GaN，所以外圍需要的電路也非常少。因此，無論是從系統(tǒng)還是外圍電路，是從整體還是局部，新品都能同時(shí)滿足降低成本，提升系統(tǒng)效率以及提升功率密度三點(diǎn)。

采用GaN技術(shù)提高功率密度可以使設(shè)備的尺寸更小、熱性能更出色、功效更高。楊斐博士表示，雖然氮化鎵的成本比較高，但作為功率器件，氮化鎵帶來的不僅僅是單個(gè)產(chǎn)品的提升，而是整個(gè)系統(tǒng)的提升，包括電感、輸出及輸入電容體積的減小，從整個(gè)電源的設(shè)計(jì)來看，還可以通過提高頻率減少被動(dòng)元件，從而實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)成本的下降。此外，還包含系統(tǒng)中散熱器的減小。從綜合成本來看，氮化鎵其實(shí)可以在系統(tǒng)中帶來很多的優(yōu)勢。

TI還擁有豐富的GaN設(shè)計(jì)資源，包括功率損耗計(jì)算器、用于電路仿真的PLECS模型以及用于在更大系統(tǒng)中進(jìn)行測試和運(yùn)行的評(píng)估板，可以大幅幫助工程師縮短產(chǎn)品面市的時(shí)間。目前兩款100V GaN產(chǎn)品均支持預(yù)量產(chǎn)，LMG2100R044 GaN功率級(jí)采用5.5mm x 4.5mm 16引腳QFN封裝，LMG3100R017 GaN功率級(jí)采用6.5mm×4.0mm 16引腳QFN封裝。參考設(shè)計(jì)覆蓋微逆系統(tǒng)、數(shù)字中心設(shè)計(jì)和車載48V轉(zhuǎn)12V等應(yīng)用。

1.5W隔離式DC/DC模塊，使偏置電源尺寸縮減89%以上

隨著全球向車輛電氣化的邁進(jìn)，動(dòng)力總成和BMS設(shè)計(jì)工程師不斷在尋找新的方式來提高系統(tǒng)級(jí)的功率密度和效率。過去，隔離式輔助電源解決方案通常采用笨重、龐大且易受振動(dòng)影響的變壓器，設(shè)計(jì)的布局也因此變得很復(fù)雜，并且會(huì)導(dǎo)致較高的輻射 EMI。為應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，TI發(fā)布最新的隔離式輔助電源解決方案——新款1.5W隔離式DC/DC模塊UCC33420-Q1。它在4mm×5mm的封裝中集成了變壓器，實(shí)現(xiàn)了以單一模塊為多個(gè)IC供電，功率密度比分立式解決方案高8倍以上，功率密度比同類模塊高3倍，并將外部元件減少50%，高度降低75%，尺寸縮小89%以上。

UCC33420-Q1是目前市場上率先采用超小型封裝且符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的1.5W隔離式DC/DC模塊，可以應(yīng)用在汽車的BMS、OBC、牽引逆變器、數(shù)字隔離器、CAN總線隔離，MCU、電壓和電流傳感器的隔離供電。在很多需要信號(hào)采集或者信號(hào)傳輸?shù)膱龊?，?huì)用到通訊協(xié)議，也就需要用隔離把安全電壓和具有危險(xiǎn)的電壓隔絕，這些地方都可以使用UCC33420。

在介紹UCC33420-Q1的工作原理時(shí)，德州儀器(TI)中國區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理寧玉懷先生表示，UCC33420-Q1將隔離電源變壓器、初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電橋與控制邏輯集成到一個(gè)封裝中，因此設(shè)計(jì)人員無需在BMS系統(tǒng)中使用變壓器，從而提高可靠性、簡化設(shè)計(jì)并加強(qiáng)抗振性。UCC33420-Q1同時(shí)采用EMI優(yōu)化型變壓器，使設(shè)計(jì)人員能夠輕松滿足最嚴(yán)苛的EMI要求，例如CISPR 32和CISPR25 5類合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)減少了元件數(shù)量并簡化了濾波器設(shè)計(jì)。它具有大于200V/ns的業(yè)內(nèi)超高共模瞬態(tài)抗擾性(CMTI)和低于3pF的初級(jí)到次級(jí)的電容，因此可承受極高的電壓瞬變，有效抵抗噪聲。

“相比于上一代，第二代隔離電源UCC33420把開關(guān)頻率提升了3倍以上，并優(yōu)化了變壓器設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低成本。同時(shí)采用獨(dú)特的效能控制，針對(duì)更快開關(guān)速度下EMI的透滲做了特別的處理，以保證在3倍的開關(guān)頻率下?lián)碛邢嗤疁?zhǔn)的效率?！睂幱駪蜒a(bǔ)充道。

UCC33420除了汽車版本以外還有工業(yè)的版本，可以應(yīng)用在充電樁、儲(chǔ)能、醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備、工廠自動(dòng)化IO模塊、數(shù)據(jù)中心電源等領(lǐng)域。

目前，UCC33420和UCC33420-Q1隔離式DC/DC模塊采用4mm×5mm 12引腳VSON封裝，UCC33420-Q1的更低輸入電壓、輸出電壓和額定功率版本預(yù)計(jì)將于2024年第二季度面市。屆時(shí)還將推出適于800V及以上應(yīng)用的其他封裝選項(xiàng)。

從處理能力更高的數(shù)據(jù)中心到空間受限的電動(dòng)汽車系統(tǒng)，工程師越來越強(qiáng)烈地感受到在更小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高功率，同時(shí)以更低成本增強(qiáng)功能的迫切性。TI希望憑借著自己的強(qiáng)大的創(chuàng)新力，完整的產(chǎn)業(yè)線，穩(wěn)定可靠且長期的供貨周期，以及對(duì)目標(biāo)市場的深刻理解，全方位提升功率密度，為全球設(shè)計(jì)工程師提供更多更優(yōu)秀的解決方案。