大幅提升电力电子变换器功率密度的手段有哪些？ 第1页

泻药。不好意思，消失了很长一段时间。由于前段时间个人生活的变动以及比较紧张的工作学习，没有回应任何邀请的问题，我看了下已经积累到80多个。最近趁自己比较闲的时候，挑一些自己感兴趣的和大家分享下我的看法和经验。

关于功率密度是个老生常谈的问题，ETH的博士都出来回答这个问题 @庞颖 ，我觉得他们应该非常有发言权。首先针对题主的问题，我觉得先把我们设计方法提高一下，再考虑其他技术手段，不然就和HIFI一样，无味的推料，最终其音质效果并不一定好。相关设计方法，eth kolar的工作是我见过对功率密度优化最为系统的工作。我列其中一篇文章供大家参考，非常值得一读。

[1] H. Uemura, F. Krismer, Y. Okuma and J. W. Kolar, "η-ρ Pareto optimization of 3-phase 3-level T-type AC-DC-AC converter comprising Si and SiC hybrid power stage," 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA), Hiroshima, 2014, pp. 2834-2841.

他们系统的对电力电子变换器每一个环节建模，包括变压器、电感热阻模型，EMI滤波器寄生模型，器件损耗模型以及等等。有了这些模型，变换器的设计可以在一个系统层面，而不是一个单一层面的优化。举个例子，PFC的输入电流的ripple应该多大，如果我们但从电感损耗角度去考虑，可能会得到一个20%的结论。但是从系统层面来说，和ripple有关系的方面包括开关器件的损耗，EMI的截止频率，变压器体积以及温升等等。所以在kolar的设计蓝图里，他们不会在设计的开端人为固定ripple大小。同样的道理可以应用在开关频率上，相关讨论可以参见我以前的文章，所以kolar在设计的时候设定一个design boundary， 例如switching ripple current 5%-50%，switching frequency 60kHz-2MHz，然后利用建立好的数据库以及模型利用程序设计所有潜在的情况。如下图1所示:

图1. 变换器优化设计样例，引自文章[1]

根据图1，我们可以看到，每一个点代表一个设计，不同的设计有不同的效率和功率密度，同时这两个指标是折衷的，我们可以追求最高的效率或者最高的功率密度，但是另一方面就会妥协。往往设计曲线的拐点就是一个较好的折衷点，有较好的效率和非常高的功率密度。

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接下来回答题主的问题，分几个话题简略回答。首先还是假设讨论范围是最常见的中等功率场合，1kW-100kW。功率再小和功率再大都有特殊的设计，宏观的讨论不具有可比性。例如其他题主说道的vicor电源，利用厚薄膜技术集成所有的元器件，功率密度十分高，但是中等功率场合，至少目前来说，这是一个不可能实现的技术，所有的设计和封装都需要定制设计。

1. 无源器件方面，高频最主要的问题是肌肤效应和邻近效应带来的涡流损耗，等效为绕组的交流阻抗。磁芯方面，之前有答主说了，绕组所需的窗口面积限制了磁芯的最小体积。磁芯和绕组损耗都有比较好的模型，磁芯损耗为IGSE模型，绕组损耗为Dowell衍生的一系列计算公式，此外高频下磁芯的delta B肯定比较小。我觉得最主要的问题在高频下一般为平面变压器，但是平面变压器有一个缺点，就是绕组的寄生电容比较大。在高频下，这个寄生电容很可能为原副边形成一个低阻抗的回路，对电路的噪声甚至工作模式产生很大的影响。CPES提出了一些变压器里加屏蔽层的方法改善这个效应。空芯电感我觉得基本不可能应用在大功率场合，完全过不了RF噪声的测试，没有磁芯的约束，磁场充满了整个空间，对辐射噪声的抑制很难。但是不用空芯电感，电感的寄生并联等效电容，也会影响电感的高频表现，这对EMI性能表现非常重要，我会在后面EMI部分谈到，所以这是一个非常好的研究点，控制无源器件的寄生参数，并最大化限制或者利用他们，才能得到比较好的功率密度。

2. 有源器件方面，驱动芯片在高频和高速开关下已不是什么问题了，silicon labs推出了具有200kV/us的CMTI驱动芯片，已经满足大部分宽禁带半导体的需求。但是对于采样和保护电路，高频和高dv/dt带来显著的影响，尤其在中等功率场合。采样电路的核心是运放，差分运放常常用在采样电路里抑制共模噪声，但是一个很严重的问题是，现有的运放对共模噪声抑制能力只是在低频下。对于高于200kHz的高频共模信号，差分运放并没有抑制能力。所以当你高开关频率下，尤其硬开关场合的高频系统下，产生的共模信号加在运放两端，运放往往会饱和，导致不正常的输出，这个在我实际调试高频硬开关变换器的时候导致了非常大的麻烦，需要一些特殊的设计抑制高频共模噪声。

开关器件方面我就不多说了，提升很大，但是高速开关（高dv/dt）和高开关频率带来一系列的负面效应。另一个负面效应就是保护，传统输出电流，过压保护估计响应时间都是在微秒级，但是高频下一个微秒已经意味着多个开关周期，保护的速度至关重要。所以新器件的瞬态保护也是非常重要的，类似于IBGT的desaturation 保护。

如果想达到比较理想的功率密度，我觉得针对特定场合设计功率模块式一个比较好的手段。使用分立器件（例如TO220封装），往往限制了布局上的进一步优化，封装的寄生参数使得power loop的寄生电感无法进一步减小。就算使用一些新的封装，但是换流回路依旧没办法优化，此外解耦电容还是离器件的Die较远，在寄生电感存在下，高di/dt依旧会产生比较大的电压尖峰。所以针对特定拓扑，应用场合以及环境温度设计特定的功率模块是一个非常好的提高功率密度的手段。举一个例子：全桥逆变器，肯定存在某些case下，下管的二极管换流到上管沟道或者上管的二极管换流到下管的沟道。如果使用分立器件，这个换流回路是无论如何都不会被优化的太好，因为要经过一段PCB引线以及封装上的引线，导致了换流时有电压尖峰。但是对于power module design，把两个die可以集成在一起，利用P-Cell和N-Cell的一个概念去优化，如下图2所示，图a是正常分立元器件布局的想法，而图b是P-Cell和N-Cell的概念，把下管二极管和上管放在一个substrate上，把上管二极管和下管放在一个substrate上，这样switching loop可以立马减小。想了解具体的概念的可以参照文章[2]。

图2. P-cell和N-cell概念下的布局优化，引自文章[2]

[2]S. Li, L. M. Tolbert, F. (. Wang and F. Z. Peng, "Stray Inductance Reduction of Commutation Loop in the P-cell and N-cell-Based IGBT Phase Leg Module," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 7, pp. 3616-3624, July 2014.

此外，好的封装也是散热设计的基础，现在double sided cooling成为封装设计的潮流，帮助高功率密度下更加有效的散热设计。

控制器方面更是充满挑战，首先一般来说，以TIC2000系列DSP来说，高频（>500kHZ）下数个开关周期才能完成一次控制周期，数字延时导致你很难设计高带宽的控制器，不然带来的相位滞后会导致不稳定。但是高频下，死区时间，过零畸变会变得更加明显，等效出来的畸变都在3,5,7,9次谐波。而控制器没办法补偿，在这些谐波处的控制增益不够。。所以有两个解决方案：1、压缩控制周期，典型工作是kolar的博士Hartmann完成的，他设计了一个10kW 1Mhz的三相维也纳变换器，通过FPGA采样，DSP控制，把控制周期压缩到了500ns! 我的经验是一个完整三相控制的数字控制，如果在200Mhz的控制器里实现，基本在3us附近；2.加前馈补偿，把畸变丢失的占空比以前馈补偿的方式加入占空比的输入，相关文章可参见UTK博士Bo Liu的工作。我把两篇reference放在这边，感兴趣的可以看看。

高频控制时间压缩参考文献：

Hartmann M, Round S D, Ertl H, et al. Digital current controller for a 1 MHz, 10 kW three-phase VIENNA rectifier[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(11): 2496-2508.

高频前馈参考文献：

B. Liu; R. Ren; E. Jones; F. Wang; D. Costinett; Z. Zhang, "A Modulation Compensation Scheme to Reduce Input Current Distortion in GaN Based High Switching Frequency Three-Phase Three-level Vienna Type Rectifiers," in IEEE Transactions on Power Electronics , vol.PP, no.99, pp.1-1

3. EMI在高频下最主要的问题是近场耦合问题， 而GaN器件应用中，提高开关频率的同时为了减小高频下开关器件的损耗，会加速开关管瞬态动作时间以减小开关损耗，开通时电压上升沿dv/dt可达到200 kV/us！首先高dv/dt下，开关瞬态通过寄生电容对大地产生的共模电流成倍增长，而且高dv/dt使得电压边沿动作时间越短，其等效的噪声频率越高，使得噪声频谱高频化；同时，随着开关频率增长，开关谐波的成分趋于高频化，也对EMI滤波器的高频衰减特性提出了更高的要求。高频和高开关速度下的传导噪声频谱的集中频带往往分布在EMC滤波器的非理想低衰减区域。多阶EMI滤波器中电感的寄生并联电容、电容的寄生串联电感等寄生参数导致滤波器的高频特性差，高频衰减增益不足。另一方面，EMI滤波电感之间的磁场互相耦合甚至包括电容寄生电感和差模共模电感之间的耦合，导致高频特性进一步恶化。所以高频功率变换器的EMI测试结果往往是低频段通过测试，而高频无法满足标准， 所以当开关频率高到一定程度时，EMI滤波器的转折频率未随着开关频率的提高相应减小。 如下图所示，可看出近场耦合寄生参数导致的非理想高频衰减。

图3. EMI滤波器的非理想衰减特性

题主提到了有源EMI滤波器，我觉得前途不明朗，有相关工作进行，有一部分人尝试在有源滤波器中引入高频运放，但是EMI滤波器都是挂在高压母线，还要流过基频电流。首先，运放没有这么大的耐压，就算有一些合适的大功率运放，估计带宽也在几百Khz，对EMI高频信号的抑制估计非常有限。所以我觉得比较合适的手段是结合无源和有源滤波器的手段，有源滤波器只用来抵消寄生参数或者近场耦合，而不用承担所有噪声功率以及电压。这个方案也是一个非常好的研究话题。

4.对于散热系统设计来说，是现在最容易提升的一部分，有很多新的散热技术被提出，但是碍于成本的阻碍，并没有在工业界应用。图4给出了一种非常有前景的方案，传统强制散热，风扇基本占了散热器系统的一半，但是这部分其实并不导热，浪费很多空间。图b提出了一种Kinetic cooling，也就是把原来的风扇做成可以旋转的金属旋转鳍片，同样可以导热，这样增加了一倍导热面积，非常有应用前景。

(a) Traditional forced-convection cooling structure

(b) Kinetic cooling structure

(c) prototype

图4. structure comparison given in [3]

[3] L. Gonzalez, B. Kessel and J. Zhang, "Kinetic Cooling for thermal management of high power electronics," 2016 15th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Las Vegas, NV, 2016, pp. 174-179.

图5给出了一个更炸天的设计，传统液冷的概念，只是改变了散热介质的热容和导热率，但是这个方法直接在器件drift region打了散热孔，然后让绝缘的散热液直接通过这些沟道，意味着传统意义上的junction-to-case,case-to-heatink的热阻被干掉了，极大增加了器件的功率容量，可以承受更大的电流。但是这个方案成本很高，而且设计仍不太成熟，drift region打孔，会产生一些电流拥挤和耐压degration问题。

图5. 散热micro-channel直接集成到器件的drift region引自文章[6]

[6] K. Vladimirova, J. C. Crebier, Y. Avenas and C. Schaeffer, "Drift Region Integrated Microchannels for Direct Cooling of Power Electronic Devices: Advantages and Limitations," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 5, pp. 2576-2586, May 2013.

3DM推出了一种散热系统，如图6，已经成功应用在数据中心上，大大减少了数据中心所需要的空间，就是直接把电路扔到一种绝缘但是热容很好，沸点较低的散热液中。当电路工作，散热液汽化然后又在上边螺旋冷管上冷凝，流回到散热液中。这种方式散热效率很高，避免了各种thermal interface material，而且散热介质温度均匀。

图6. 相变散热系统

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答案就此为止，总结一下，首先提高功率密度最直接的方法是提高自己的设计手段，多做一些设计对比，如其他的题主所说，不同拓扑，调制都可以影响最终结果，开关频率、ripple current、调制方法、拓扑等都可以作为设计的输入变量，然后我们得到不同设计比较，选取优化的方案。

此外，无源器件的寄生参数控制和利用、采样和保护电路在高频和高速开关下的设计、特定场合下的器件封装设计、高速控制器设计、EMI近场耦合效应抵消、新型散热系统的应用都可以一定程度提高功率密度。但是，中等功率等级，我觉得工业界离高频化还很遥远，成本和可靠性是最大限制。。。。

最后，欢迎大家讨论。