在最近幾年中，我們見證了電力電子的重要性迅速增長(zhǎng)?？梢酝ㄟ^查看當(dāng)前趨勢(shì)來解釋。在全球變暖和環(huán)境污染等社會(huì)挑戰(zhàn)的推動(dòng)下，綠色能源和替代能源等技術(shù)主題備受關(guān)注。高效，可靠的電源轉(zhuǎn)換器是這兩個(gè)主題的中心。此外，移動(dòng)性的不斷提高和無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量不斷增長(zhǎng)導(dǎo)致電池供電的設(shè)備越來越多，因此對(duì)高效電源管理的需求也隨之增加。最后，不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量是導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心數(shù)量增加的原因。數(shù)據(jù)中心消耗大量電能。一部分是為所有服務(wù)器組供電，但也有大量資金用于制冷和空調(diào)。因此，功率轉(zhuǎn)換器的效率越高，散熱量就越低，所需的冷卻量也就越少。上述所有的發(fā)展和變化都對(duì)優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換器提出了很高的要求。主要要求是最高的效率和較低的成本，以及小尺寸和輕重量。

電源轉(zhuǎn)換器和測(cè)試

要回答有關(guān)如何滿足所有這些要求的問題，我們首先需要討論電源轉(zhuǎn)換器的技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。圖1顯示了下變頻器的典型核心電路。高端和低端半導(dǎo)體“開關(guān)”（此處為MOSFET）成行連接。該控制由門控制電路或集成芯片完成。時(shí)序圖顯示兩個(gè)開關(guān)的開/關(guān)周期彼此相反。結(jié)果，電橋電壓在零和電源電壓之間切換。通過電感得到的電流是通過輸出電容的充電/放電電流。通過改變開/關(guān)周期的占空比，可以控制充電和放電電流以及隨后在輸出電容上的相應(yīng)輸出電壓。

圖1：下變頻器的典型核心電路

從這里開始，可以討論滿足效率，尺寸，重量和成本要求所需的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。那么，怎樣才能達(dá)到更高的效率呢？第一種選擇是選擇最合適的拓?fù)洹８鶕?jù)應(yīng)用程序的類型，有更好或更壞的解決方案。第二種選擇是使用現(xiàn)有最好的半導(dǎo)體。新的半導(dǎo)體材料已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。最著名的是寬帶隙材料（WBG），例如碳化硅（SiC）或亞硝酸鎵（GaN）。兩者都具有較低的損耗（開關(guān)/導(dǎo)通），較高的耐??壓性并支持更快的開關(guān)頻率。但是，隨著它的不斷發(fā)生，沒有什么是免費(fèi)的。顯然，新的和現(xiàn)代的半導(dǎo)體可能與降低成本的要求相抵觸。但是從第二種觀點(diǎn)看，那里沒有真正的沖突。與成熟的硅基MOSFET相比，SiC / GaN器件確實(shí)更昂貴，但是節(jié)省成本的潛力在于它們?cè)试S使用越來越少的組件或散熱器。另一個(gè)挑戰(zhàn)是缺乏使用SiC和GaN的經(jīng)驗(yàn)，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期中的問題（例如，不穩(wěn)定性）。同樣，較高的開關(guān)頻率是產(chǎn)生EMC輻射的絕佳來源，這至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K存在產(chǎn)品必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是缺乏使用SiC和GaN的經(jīng)驗(yàn)，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期中的問題（例如，不穩(wěn)定性）。同樣，較高的開關(guān)頻率是產(chǎn)生EMC輻射的絕佳來源，這至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K存在產(chǎn)品必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是缺乏使用SiC和GaN的經(jīng)驗(yàn)，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期中的問題（例如，不穩(wěn)定性）。同樣，較高的開關(guān)頻率是產(chǎn)生EMC輻射的絕佳來源，這至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K存在產(chǎn)品必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)。

如果產(chǎn)品是為可穿戴設(shè)備市場(chǎng)設(shè)計(jì)的，則必須滿足更小尺寸和更輕重量的要求，無論是無人機(jī)還是汽車，更輕的重量也是運(yùn)輸電氣化的重要規(guī)范。新的WBG交換機(jī)也可以在此處提供解決方案，但是如上所述，這帶來了EMC。確保可靠性和穩(wěn)定性，EMC合規(guī)性，滿足成本和空間以及連接T＆M設(shè)備的能力是最相關(guān)的挑戰(zhàn)。

另一個(gè)有趣的問題是：我們?nèi)匀恍枰M(jìn)行測(cè)量還是模擬可以使測(cè)試過時(shí)？的確，不能忽視仿真軟件和模型的最新發(fā)展和改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)性能的提高，但最終，每次仿真都只能與模型和所提供的數(shù)據(jù)一樣好。無源組件就是一個(gè)例子。通常，無源組件的規(guī)格會(huì)隨用例而變化。例如，陶瓷電容器在不同的偏置電壓下具有不同的容量，或者線圈的電感隨電流而變化。多數(shù)時(shí)候，組件數(shù)據(jù)表并不代表這一點(diǎn)。實(shí)際使用情況的頻率未提供ESR，ESL或AC電阻。因此，有必要在實(shí)際條件下測(cè)量組件，然后才能將其輸入到仿真工具中。此外，還有必備測(cè)試，例如EMC合規(guī)性和可靠性測(cè)試。另外，最終產(chǎn)品的性能規(guī)格（如功耗，動(dòng)態(tài)響應(yīng)）需要通過測(cè)量來證明。

最后，讓我們看一下最常見和最重要的度量。出于教學(xué)上的原因，我們可能從動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測(cè)量開始，這通常是在開發(fā)過程的稍后階段完成的，但是它清楚地表明了如果設(shè)計(jì)不正確會(huì)發(fā)生什么情況。在測(cè)量負(fù)載階躍響應(yīng)期間，負(fù)載電流會(huì)在最大電流的10％到90％之間變化。與電流平行，將測(cè)量輸出電壓。圖2的頂部顯示了密集振鈴。在進(jìn)行EMC測(cè)試時(shí)，這可能是個(gè)問題。如圖所示，振蕩表明設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性不足，并在反饋回路出現(xiàn)問題。為了獲得更多的見解，下一步應(yīng)該是在Bode圖的幫助下測(cè)量環(huán)路響應(yīng)并確定相位和增益裕度。所有Siglent X系列示波器都具有此功能，并且使測(cè)試變得容易且負(fù)擔(dān)得起。優(yōu)化設(shè)計(jì)并增加相位裕度后，負(fù)載階躍響應(yīng)的結(jié)果看起來就像圖片的底部一樣（圖2）。

圖2：階躍響應(yīng)

為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)并在給定時(shí)間內(nèi)完成所有操作，建議盡早開始測(cè)量。理想情況下，第一個(gè)任務(wù)應(yīng)該是優(yōu)化內(nèi)部“核心”，即切換階段。在這里，正確的布局對(duì)于避免由LC諧振（CDS / Ltrace）引起的高頻振鈴至關(guān)重要。此外，高端和低端切換之間的停滯時(shí)間必須適當(dāng)。如果過緊，則會(huì)發(fā)生短路；如果過長(zhǎng)，則會(huì)降低效率。

結(jié)論

電力電子技術(shù)的復(fù)興是當(dāng)前市場(chǎng)趨勢(shì)的結(jié)果。高效，可靠的電源轉(zhuǎn)換器已成為許多設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。新的半導(dǎo)體材料做出了貢獻(xiàn)，為設(shè)計(jì)工程師帶來了新的可能性，但同時(shí)也帶來了新的挑戰(zhàn)。為了獲得見解并能夠從設(shè)計(jì)中獲得最大收益，仍然有必要進(jìn)行大量測(cè)量。Siglent在過去的幾年中擴(kuò)展了其測(cè)量設(shè)備，現(xiàn)在可以提供廣泛的產(chǎn)品來幫助工程師解決任務(wù)。

編輯：hfy