【導(dǎo)讀】高效的電源管理包括增加電子設(shè)備的功率傳輸能力，同時(shí)最大限度地減少損耗并保持信號(hào)完整性。
當(dāng)今各行各業(yè)都需要速度更快、效率更高的電子產(chǎn)品，以便能夠快速處理大量數(shù)據(jù)，但這一需求是以增加功耗為代價(jià)的，這就大大增加了運(yùn)行這些電子系統(tǒng)所產(chǎn)生的費(fèi)用。
在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心中，電費(fèi)約占總運(yùn)行費(fèi)用的45%。一個(gè)中等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心可能需要大約50MW的電力容量，這足以為4000戶(hù)家庭供電。由于這些能量是使用大量不可再生資源所產(chǎn)生的，消耗這些能量就給環(huán)境帶來(lái)了很大的壓力。因此，我們需要利用高效的電源管理解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
電動(dòng)汽車(chē)(EV)和智能手機(jī)等行業(yè)則一直在研究延長(zhǎng)其產(chǎn)品電池壽命的技術(shù)。如今的消費(fèi)者需要提供不間斷的服務(wù)，同時(shí)又要做到更便宜、更安全和更高效。因此，電源管理已成為當(dāng)今的一個(gè)重要領(lǐng)域，研究人員致力于通過(guò)提高工作頻率并同時(shí)最大限度地減少損耗來(lái)提高半導(dǎo)體IC的功率密度。他們正在開(kāi)發(fā)基于氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的IC來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)高頻操作。除此之外，許多領(lǐng)先電子元器件制造商也正在使用改進(jìn)的工藝、封裝和電路設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足電源管理的產(chǎn)業(yè)需求。電源管理包括提高功率密度、減少電磁干擾，以及在存在高壓線(xiàn)的情況下保持電源和信號(hào)的完整性。
高效的電源管理包括增加電子設(shè)備的功率傳輸能力，同時(shí)最大限度地減少損耗并保持信號(hào)完整性。制造商們正在尋求利用五個(gè)主要趨勢(shì)，以便為消費(fèi)者提供最先進(jìn)的電子產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足他們的需求。這五個(gè)趨勢(shì)是：增加功率密度；降低靜態(tài)電流(IQ)；降低電磁干擾(EMI)；降低噪聲以提高精度；通過(guò)隔離提高在高壓(HV)下工作時(shí)的安全性。欲知詳情，請(qǐng)點(diǎn)擊文章鏈接閱讀。
AC/DC電源兩大重要趨勢(shì)：體積縮小和軟件定義
就AC/DC電源而言，無(wú)論是開(kāi)放式還是封閉式，甚至是臺(tái)式適配器，面向醫(yī)療應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用的最新的電源設(shè)備都有一些共同點(diǎn)：它們提供了更小的解決方案尺寸并實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度，同時(shí)提供更高的效率。
此外，許多電源制造商也正在推出更多靈活的方案，以滿(mǎn)足廣泛的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。冷卻和并聯(lián)電源的功能也是重要因素。毫不奇怪，這些AC/DC電源還符合各種安全認(rèn)證，并且可以在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。
《AC/DC電源尺寸在繼續(xù)縮小》一文中介紹了一系列滿(mǎn)足醫(yī)療電源和工業(yè)電源要求的AC/DC電源。在某些情況下，它們甚至能滿(mǎn)足這兩個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的要求。
有關(guān)AC/DC電源的另一個(gè)話(huà)題是，傳統(tǒng)上，AC/DC電源設(shè)計(jì)只能針對(duì)特定負(fù)載和線(xiàn)路條件進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)榻?jīng)典模擬控制和簡(jiǎn)單脈寬調(diào)制技術(shù)通常采用固定頻率工作，這就會(huì)導(dǎo)致在極端工作條件下產(chǎn)生更高的元器件應(yīng)力。
電源數(shù)據(jù)手冊(cè)通常表明，它們?cè)诘洼斎腚妷合聲?huì)發(fā)生嚴(yán)重降額，并會(huì)將輸出限制為固定值，最多只能對(duì)其調(diào)整±10%。通常只有昂貴的實(shí)驗(yàn)室用品，才可將輸出電壓調(diào)節(jié)至零，并獲得真正、準(zhǔn)確的恒流輸出，而且它們也不必做得特別緊湊或高效。同樣，設(shè)計(jì)中還會(huì)考慮到控制回路響應(yīng)、過(guò)載反應(yīng)和故障檢測(cè)閾值等特性，以及任何控制和監(jiān)控信號(hào)電平、功能和極性。
因此，用戶(hù)必須解決電源的可用性問(wèn)題，找到最佳折衷方案，然后為不同的產(chǎn)品采購(gòu)各種類(lèi)型的電源。對(duì)于已有的終端產(chǎn)品，要想對(duì)其進(jìn)行升級(jí)和更改，可能還受到電源范圍的擺布——即使是想對(duì)其輸出電壓進(jìn)行小幅調(diào)整，也可能需要對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)做出重大改變。許多應(yīng)用還特別要求電源在某些方面可調(diào)，例如LED恒流負(fù)載通常需要可調(diào)光，或者電解過(guò)程的輸出電壓可能需要可編程，以便確定其反應(yīng)速率。在這些情況下，通常只有采用昂貴的定制設(shè)計(jì)才能解決。
一方面，用戶(hù)希望自己的終端產(chǎn)品不受電源擺布，另一方面，電源供應(yīng)商也一直在探索如何使自己的產(chǎn)品盡可能做到通用。然而，過(guò)去的技術(shù)需要在價(jià)格以及尺寸或效率等參數(shù)方面做出權(quán)衡。現(xiàn)在，由于許多充分的理由，高功率密度成為了主要指令，權(quán)衡也就變得不可接受了。
數(shù)字電源/軟件定義電源帶來(lái)了新的可能性，它們不僅帶來(lái)了軟件控制的靈活性，還帶來(lái)了多功能性。過(guò)去幾年，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，效率和功率密度得到了提高，線(xiàn)路和負(fù)載變化所引起的降額問(wèn)題也得到了緩解。
功率器件熱點(diǎn)：寬禁帶材料應(yīng)用
另一方面，盡管當(dāng)今半導(dǎo)體技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，但仍有更多設(shè)備和系統(tǒng)在使用傳統(tǒng)的電力電子系統(tǒng)生產(chǎn)。我們必須確保讓各種設(shè)備和技術(shù)的制造可持續(xù)進(jìn)行，同時(shí)還要牢記不同的安全和環(huán)境規(guī)范以及提高效率。
隨著SiC和GaN等寬禁帶器件的推出，電力電子技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化。事實(shí)上，這些材料的特性使其特別適合在高壓和高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，并能提供比最先進(jìn)的硅基功率器件更好的效率和散熱管理。
《使用SiC和GaN創(chuàng)建面向未來(lái)的電力電子器件》一文中指出，GaN和SiC是下一次電力電子革命的未來(lái)。
SiC是1,200V及以上以及100kW以上應(yīng)用的絕佳解決方案，在這些應(yīng)用中，GaN技術(shù)難以滿(mǎn)足這樣的功率等級(jí)。然而，GaN解決方案由于是橫向的，卻可實(shí)現(xiàn)電路集成。它們可以在非常高的開(kāi)關(guān)頻率下工作，最高可達(dá)40MHz。
汽車(chē)電氣化所涉及的電源技術(shù)
最后，再來(lái)看下豐田在電池和功率器件等電源技術(shù)方面在其下一代汽車(chē)中又有著怎樣的戰(zhàn)略布局。
眾所周知，汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大變革。汽車(chē)制造商必須做出改變，為明天的汽車(chē)(包括電動(dòng)汽車(chē)、氫燃料汽車(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē))做好準(zhǔn)備，以遵守增加的二氧化碳排放規(guī)定，并提供更安全的自動(dòng)駕駛汽車(chē)。
作為最早將電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化的公司之一，豐田現(xiàn)在生產(chǎn)種類(lèi)繁多的汽車(chē)，例如燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV)、電池電動(dòng)汽車(chē)(BEV)和混合動(dòng)力汽車(chē)。涵蓋下一代汽車(chē)所涉及的大部分技術(shù)的綜合知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，是這種重新定位的重要支持者。
電池創(chuàng)新
在成為商業(yè)焦點(diǎn)之前的幾十年，豐田就預(yù)見(jiàn)到了向混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡。多年來(lái)，該公司創(chuàng)造了廣泛的電池相關(guān)技術(shù)，這是影響電動(dòng)汽車(chē)性能(自主性、速度和安全性)的主要因素之一。作為其研究計(jì)劃的一部分，豐田在日本和國(guó)外就電池進(jìn)行了廣泛合作。因此，該公司在電池和電動(dòng)汽車(chē)的主要生產(chǎn)和商業(yè)化地點(diǎn)獲得了知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其電池發(fā)明現(xiàn)在涵蓋了當(dāng)前和未來(lái)潛在技術(shù)的整個(gè)供應(yīng)鏈(日本、韓國(guó)、中國(guó)、歐洲和美國(guó))。為了滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的需求，豐田非常愿意參與電池特性(能量和功率密度、充電速度、壽命等)的提升。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，豐田決定專(zhuān)注于兩個(gè)主要方向：改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)中已有的鋰離子電池技術(shù)，以及開(kāi)發(fā)具有卓越性能的新電池技術(shù)。
一方面，該公司正在開(kāi)發(fā)用于鋰離子電池的新材料和現(xiàn)有材料。這些材料包括固體電解質(zhì)、NMC/NCA、鋰金屬、鈦酸鋰(LTO/Li4Ti5O12)和硅。考慮到其在整個(gè)供應(yīng)鏈中的強(qiáng)大知識(shí)產(chǎn)權(quán)地位，豐田是目前最重要的固態(tài)電池專(zhuān)利受讓人。
另一方面，豐田正在研究理論上性能優(yōu)于鋰離子電池的新電池技術(shù)。該業(yè)務(wù)致力于成熟的后鋰離子技術(shù)，包括鋰空氣、鋰硫和鈉離子電池，以及更尖端的技術(shù)，如Mg、F、Al、Ca、K和Zn離子電池。
電動(dòng)汽車(chē)用SiC功率器件
自2018年以來(lái)，電裝公司(Denso)一直是碳化硅MOSFET開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)先公司。通過(guò)將其必要專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓給電裝，豐田汽車(chē)期待在下一代電動(dòng)汽車(chē)中集成SiC MOSFET。整個(gè)供應(yīng)鏈，從SiC材料到SiC功率器件、模塊和電路，都在豐田和Denso的專(zhuān)利活動(dòng)中。豐田的知識(shí)產(chǎn)權(quán)活動(dòng)側(cè)重于讓該公司在SiC供應(yīng)鏈向下移動(dòng)時(shí)在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的想法。
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