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(zhuǎn)換為直流電，在工業(yè)領(lǐng)域?yàn)樵O(shè)備提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，在工業(yè)自動(dòng)化、通訊、醫(yī)療、數(shù)據(jù)中心、新能源儲(chǔ)能等領(lǐng)域廣泛使用。與普通的電源相比，工業(yè)電源應(yīng)用環(huán)境苛刻復(fù)雜，對電源的穩(wěn)定性要求更高，需滿足一些特殊要求，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(wěn)定性的要求也比其它應(yīng)用更為嚴(yán)格。

按在電能轉(zhuǎn)換過程中的位置做分類，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的工藝和封裝技術(shù)制造， 形成的一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、高可靠的電子穩(wěn)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(wěn)定且連續(xù)的電力來滿足各種工業(yè)設(shè)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(diào)節(jié)系統(tǒng)來確保其輸出電壓和頻率的穩(wěn)定性。此外，工業(yè)電源還需具備高效率和良好的散熱性能，能夠滿足工業(yè)場合對于能源效率和設(shè)備穩(wěn)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(shè)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(shè)備發(fā)熱，提升電源輸出效率。為滿足工業(yè)電源的低功耗和高效率需求，設(shè)計(jì)電感產(chǎn)品時(shí)應(yīng)選用低損耗磁芯和線材。電感損耗主要由磁芯和電感線圈來決定，磁芯和線圈損耗越大，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(tǒng)內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換器小型化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效的大功率輸出。順應(yīng)高功率密度趨勢，設(shè)計(jì)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，滿足小型化、小體積需求。

并且元器件需承載大電流，許多工業(yè)設(shè)備應(yīng)用功率可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千瓦，因此工業(yè)電源大都采用大功率方案。應(yīng)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)還需要長時(shí)間承受持續(xù)大電流輸出，保持電感表面溫升不超出規(guī)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(fù)雜，電源系統(tǒng)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(fù)載和惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，具備抗沖擊和抗機(jī)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(shè)計(jì)的電路方案中，元器件的高密度安裝，必然會(huì)導(dǎo)致電磁干擾問題，采用磁屏蔽結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)電感的抗干擾能力，提高電源系統(tǒng)的穩(wěn)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，以滿足日益復(fù)雜的IC特性參數(shù)精確測試，這對電源設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。對比傳統(tǒng)工業(yè)電源，不斷更新的電源設(shè)計(jì)對集成化、智能化、精確度、高效小型化等需求愈發(fā)強(qiáng)烈。客戶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(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短、可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點(diǎn)，模塊電源的應(yīng)用越來越廣泛，對使用的電感也提出越來越高的要求，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，大多電源廠商的非隔離電源模塊的效率都能達(dá)到91%以上。其主要用于電力電子、軍工、科研、工業(yè)控制、汽車電子、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(zhuǎn)換器和開發(fā)滿足工業(yè)應(yīng)用挑戰(zhàn)性需求的電源時(shí)，必須平衡多種選擇和權(quán)衡與項(xiàng)目優(yōu)先級。雖然有很多方法可以做到這一點(diǎn)，但最常見的方法是從電源需要提供的功率（以W為單位）開始，以及輸入和輸出隔離的任何需求。

而工控電源主要用來控制負(fù)載的運(yùn)轉(zhuǎn)，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(shè)備管理至關(guān)重要。應(yīng)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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)無法通過單一設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，首先應(yīng)該為轉(zhuǎn)換器選擇合適的內(nèi)核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并確定最適合該方法和功率電平的開關(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(shè)計(jì)中都存在許多小的低效率來源，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(tǒng)有利于提高效率的有源和無源元件，對于功率器件（MOSFET）和一些二極管，現(xiàn)在已經(jīng)演變成基于碳化硅（SiC）工藝技術(shù)的元件?？傮w來說，碳化硅技術(shù)現(xiàn)在成為下一代低損耗開關(guān)和阻斷元件最可行的材料，因?yàn)樗哂械蛯?dǎo)通電阻和高溫下的優(yōu)越特性。與單獨(dú)使用硅相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗哂懈叩膿舸╇妷汉推渌匦?，包括：更高的臨界擊穿電場電壓，因此可以在給定的額定電壓下工作，并可大大降低導(dǎo)通電阻。而且其具有更高的導(dǎo)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(zhuǎn)換器最佳的元件。

無論是基于硅還是碳化硅，MOS-FET的開關(guān)都必須仔細(xì)考慮與柵極驅(qū)動(dòng)電壓、電流、壓擺率、瞬變、過沖、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(xì)節(jié)。柵極驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)來自控制處理器輸出的低電平、相對簡單的信號與開關(guān)器件的柵極輸入之間的接口。它是一種特殊類型的電源轉(zhuǎn)換器，其輸出與功率器件的要求相匹配。

當(dāng)一對開關(guān)器件以半橋或全橋等常見排列方式使用時(shí)，驅(qū)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(dǎo)通，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致電源軌和接地之間的短路。此外，在某些功率器件應(yīng)用中，一個(gè)或兩個(gè)功率器件路徑必須與系統(tǒng)接地電氣隔離，同時(shí)仍為每個(gè)路徑提供匹配的性能。

新能源汽車和新能源儲(chǔ)能設(shè)備的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了電池檢測市場的發(fā)展。但從現(xiàn)在的新能源開發(fā)及應(yīng)用來講，太陽能行業(yè)應(yīng)該是獨(dú)占鰲頭的。據(jù)權(quán)威雜志預(yù)測：太陽能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30％以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10％以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50％以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20％以上；新能源電池檢測設(shè)備能有效提升電池的安全性，延長電池的使用壽命。電池檢測技術(shù)壁壘高，應(yīng)用于新能源電池檢測設(shè)備的電感也需要滿足穩(wěn)定可靠、寬頻寬溫、耐大電流等需求，同時(shí)要求緊湊型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

由于應(yīng)用環(huán)境的壓力，工業(yè)電源和轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)性能、成本、空間和可靠性要求方面面臨著一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)。高功率水平需要額外考慮效率、散熱和封裝。還有柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測問題需要解決。通過適當(dāng)考慮應(yīng)用的要求，可以輕松應(yīng)對工業(yè)級電源和轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)。