在電動(dòng)車(chē)輛和混合動(dòng)力車(chē)輛等應(yīng)用中，直流電流會(huì)隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而不斷增大，因而對(duì)直流電源總線性能的要求就不僅限于IR壓降（即電壓降）和散熱了。隨著設(shè)計(jì)要求的提高，以及以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）開(kāi)關(guān)為代表的寬禁帶器件（WBG）的日益流行，現(xiàn)在的直流電源總線必須在數(shù)百kHz的高頻率下保持非常低的電感特性。

總線必須具有低電阻和低電感，同時(shí)還必須有足夠的電容以消除電壓紋波。不幸的是，因?yàn)榛ミB和內(nèi)部寄生效應(yīng)，能夠滿足低電感要求的電容器卻無(wú)法滿足低阻抗要求。要想實(shí)現(xiàn)多個(gè)相互沖突的目標(biāo)，除了簡(jiǎn)單地增加更多體電容外，還可以使用不同的方法來(lái)嘗試。

最近，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories， SNL）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種解決這個(gè)問(wèn)題的有趣方法，并申請(qǐng)了專利。想知道“桑迪亞是誰(shuí)或是什么？”，說(shuō)來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是由桑迪亞公司（霍尼韋爾的一個(gè)全資子公司）國(guó)家技術(shù)和工程方案部門(mén)管理和運(yùn)營(yíng)的，屬于美國(guó)能源部下屬的國(guó)家核安全管理局。

他們的設(shè)計(jì)采用類似于PC板的分層結(jié)構(gòu)，兩個(gè)金屬平面中間用聚合物電介質(zhì)隔開(kāi)，以提供“平面（planar）”電容，如圖1所示。

圖1：電源總線看起來(lái)像一個(gè)PC板，但帶有聚合物電介質(zhì)而不是玻璃環(huán)氧樹(shù)脂，因此可以用作平面電容器。（來(lái)源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

如圖2所示，這種基本容抗是通過(guò)采用大量（數(shù)百個(gè)）小型多層陶瓷電容器（MLCC）來(lái)提高的，而不是常規(guī)的電解電容器或薄膜電容器，它們通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)PC板通孔在平面之間相互連接。

圖2：組裝板頂視圖和底視圖顯示出大量MLCC器件，以及一個(gè)大型的不間斷“接地”平面。（來(lái)源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

這種方法同時(shí)具有電氣優(yōu)勢(shì)和熱管理優(yōu)勢(shì)。如此多的電容器散開(kāi)放置可降低高頻電流分量的并聯(lián)阻抗，而扁平陶瓷電容可以承受更高的溫度并促進(jìn)氣流流動(dòng)。它還有一些其它好處。在現(xiàn)有應(yīng)用中，正極和負(fù)極（通常稱為接地）通常使用匯流排，正負(fù)極之間間隔很大。當(dāng)磁場(chǎng)線穿過(guò)這個(gè)大范圍區(qū)域時(shí)，由于電流環(huán)路較大，有效電感也較高。而桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用的這種平面方法可以減小電流環(huán)路面積，從而大大降低了電感。

他們開(kāi)發(fā)的原型板使用2盎司的覆面PC板材料，尺寸約為6×11×0.062英寸（150×280×1.6毫米），配有336 0.15 μF / 1000 V MLCC電容（采用X7R電介質(zhì)并符合AEC–Q200認(rèn)證，適合汽車(chē)應(yīng)用）。其模型和仿真結(jié)果表明，總電容為50.4 μF，足以將紋波保持在100 kHz時(shí)的目標(biāo)值以下。

除了大量建模之外，他們還使用阻抗測(cè)量?jī)x器在100 Hz至10 MHz范圍內(nèi)測(cè)試了該設(shè)計(jì)方案（如圖3），結(jié)果與其模型非常吻合。他們還將其結(jié)果與豐田普銳斯混合動(dòng)力車(chē)所采用的類似總線模型進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)他們的總線性能更高、體積更小，并可以承受更高的溫度。

圖3：阻抗與頻率關(guān)系的測(cè)試結(jié)果表明，仿真單元和物理單元的性能非常接近，且優(yōu)于豐田普銳斯采用的總線性能。（來(lái)源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

那么，這個(gè)“低電感直流電源總線”（專利號(hào)10，084，310）又是怎么回事呢？該專利涵蓋了建模、討論、分析、設(shè)計(jì)、構(gòu)造和測(cè)試結(jié)果，當(dāng)然，這些都需要用來(lái)解釋它們是如何構(gòu)成低電感電源總線匯流排的。

但這些都不是最讓我興奮的地方。我曾經(jīng)閱讀或?yàn)g覽過(guò)許多專利，大部分都相當(dāng)枯燥，技術(shù)性很強(qiáng)?？赐昴切┬问交恼鹿?jié)后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些內(nèi)容豐富的原始資料。簡(jiǎn)而言之，一般會(huì)這樣寫(xiě)道：“針對(duì)存在的問(wèn)題，這是我們提出的創(chuàng)新解決方案，它的工作方式和原理是這樣的”。好吧，這個(gè)專利故事就講完了。

然而，這個(gè)專利讀起來(lái)卻更像是市場(chǎng)推廣文案或是供應(yīng)商在EDN上發(fā)布的技術(shù)文章。前面的很多篇幅都用來(lái)討論市場(chǎng)需求和機(jī)遇、不同方法之間的取舍以及類似的考慮，直到最后才談及創(chuàng)新方案自身的細(xì)節(jié)。我感到有些困惑，因?yàn)槲艺J(rèn)為專利的發(fā)布僅取決于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而不是任何市場(chǎng)分析或需求。畢竟，許多專利是授予那些獨(dú)特的、非顯而易見(jiàn)的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)一般沒(méi)有或僅具有極小的商業(yè)前景，或只是為防止他人搶先而先下手為強(qiáng)。許多專利設(shè)計(jì)被束之高閣，有些專利所針對(duì)的是已經(jīng)面市的產(chǎn)品，而另一些則處于沉寂狀態(tài)（等到有一天其它技術(shù)發(fā)展起來(lái)時(shí)它們才變得有價(jià)值）。

這種專利市場(chǎng)分析和競(jìng)爭(zhēng)定位是好是壞？我不知道，或許無(wú)關(guān)緊要。但我真的希望增加這些內(nèi)容不會(huì)成為獲得專利的因素，因?yàn)檫@可能會(huì)壓制一些現(xiàn)在看來(lái)毫無(wú)用處或不切實(shí)際、但將來(lái)可能會(huì)凸顯巨大價(jià)值的想法。