宽禁带半导体技术和开放式体系架构设计成为降低其尺寸、重量和功耗和提高效率的重要手段

时间:2018-05-11 11:59来源:大国重器

摘要:随着功率电子器件在国防领域应用的不断扩展,功率电子技术控制和调节复杂航空和国防集成系统电力,其依赖新的体系架构方法来实现更小的尺寸、重量和功耗和成本(SWaP-C)。

随着功率电子器件在国防领域应用的不断扩展,功率电子技术控制和调节复杂航空和国防集成系统电力,其依赖新的体系架构方法来实现更小的尺寸、重量和功耗和成本(SWaP-C)。新的设计和开放系统架构使功率器件制造商能够为各种陆地、飞机和太空应用提供小型、轻量和高功效的器件。

 

Vicor公司、科巴姆公司、军用功率资源公司、VPT公司相关人员就如何降低功率电子器件的SWaP-C发表自己的看法,结论如下。

 

 

1  VPT公司正在寻求商用现货功率技术,以合理的成本为客户提供充足功率性能

 

AC-DC和DC-DC转换器等功率电子器件中,增强的电源效率、热管理,以及抗电磁干扰(EMI)影响正在有助于推出更小、更轻、更紧凑集成的新型军用电子系统,且比以往更容易冷却。这些小尺寸、高能效器件应用在新型航空航天和国防电子中,诸如无人驾驶车辆、监视雷达、电子战、导弹和导弹防御、红外传感器、可穿戴电子设备,以及甚至可能的天基能量收集。

 

功率电子设计人员实现SWaP目标的一种方法是提高效率。Vicor公司工程师正在对公司DCM产品采用不同的方法,即超越传统的功率转化盒方式,这就使得他们能够设计比公司上一代功率转换盒小两至三倍的器件。

 

功率效率是功率电子器件的关键

Vicor公司高级产品营销经理Kai Johnstad表示,效率是功率电子器件的关键。转换的有用功率越大,产生的废热就越少。正在转换的功率越多,它就越容易冷却。Vicor公司DCM产品并非真正的转化盒,而是一个能够更小封装的功率组件。

 

Vicor公司美洲地区负责销售的副总裁John Sturm指出,该公司在转换盒上的新方法也意味着其可以提供更多可交付的功率,设计人员可为其产品增加更多特征,或者增加更多功能,因为他们拥有可用功率。该公司所做的不同之处在于其转换拓扑结构,可以更高的频率对切换器进行切换,使设计人员能够减少磁性组件的尺寸。与竞争对手相比,公司制造的磁性组件的尺寸和重量要小得多。

 

这与该公司的旧式功率转换盒设计不同。在最初转换盒产品时,该公司利用了使用转换元件金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)调频技术的优势,这种元件能够切断电流。然而,转换可能会产生噪声和损耗,而公司专注于零电压和电流切换,以确保没有电流流经器件。开关仅在零电流时开启或关闭,对开关产生的损耗几乎为零。

 

 

2  军用功率资源公司生产以VPX封装的功率电子产品,以提高设计灵活性并降低成本

 

科巴姆半导体解决方案公司专门研究载人空间和卫星应用的功率产品,在太空环境下,功率效率至关重要。该公司应用工程师Tim Meade表示,宽禁带技术是实现这一目标的基本推动力。尺寸、重量、功率和成本等属性对卫星和小型卫星的变革至关重要。要实现这一目标,工程人员需要提高功率密度,提高功率效率,获取智能功率和收集能量。

 

宽禁带半导体技术有助于实现天基平台能量收集的功率效率

能量收集是指从环境中提取电能,例如太阳能电池阵列和光伏电池。在地球上,通过风力发电和移动波浪的运动收集能量是能量收集的主要应用,但在太空中面临的挑战更加棘手。

 

科巴姆半导体解决方案公司应用工程师Tim Meade表示,像氮化镓这样的宽禁带器件具有比硅片更小的栅极电容和更低的栅极电荷。因为可以更快速地切换器件并将其稳压在目标电压,这种器件的好处是可实现更好的功率密度。在太空中,通过射频从天线中提取能量,或者从地球极地球体等电磁场中提取能量的前景令人兴奋。这项挑战在于你能从这种太空环境中提取多少能量。

 

宽禁带技术,如氮化镓和碳化硅半导体技术是实现新一代天基能量收集所需的各种功率效率的关键。尽管氮化镓和碳化硅技术仍然相对较新,但很多人对太空领域非常感兴趣,以脱离标准芯片的使用,利用这些宽禁带器件。宽禁带技术与电压有关,宽禁带器件具有三个电子伏特,它与转换从传导到非传导的定义有很大关系。

 

宽禁带技术并不是提高太空功率电子效率的唯一关键。卫星本身就是自己的能源生态系统,它自己产生能量,然后对其进行冷却、转换和分配。这是一个广泛开放的发展和进步环境。

 

跨系统间的电磁干扰影响功率电子器件有效运行

功率电子器件如何有效运行部分涉及其产生的电磁干扰量。随着航天器、军用飞机、舰船和陆地车辆内电子子系统数量的增加,这对跨系统的电磁干扰量构成威胁,这一点尤为重要。

 

军用功率资源公司业务开发经理Brian Paul表示,飞机和地面车辆上安装的系统越来越多,功率越来越多,以及这些系统相互干扰都成为公司关注的重要问题。电磁干扰已经成为该公司发展的主要驱动力。该公司将电磁干扰滤波器集成到功率电子模块中,不仅有助于减小尺寸和重量,还提供开放式架构功率器件以节省成本并提高组件的互操作性。该公司是为数不多地能够将电磁干扰滤波器集成到卡上的供应商之一,因此其可通过更小的封装生产出更多功能的产品。

 

 

3  科巴姆公司目标是在尺寸和重量灵敏型空间应用中实现功率电子器件的高效率

 

军用功率资源公司业务开发经理Brian Paul指出,该公司提供标准3U和6U VPX外形尺寸的功率模块。作为一个产品系列,MILVPX基于军用应用而设计,为客户提供可构建的建模块,且这些建模块是可裁剪的,这个整个行业是非常强大的。该公司的效率收益来自其功率电路设计,其强大高效的设计能够使该公司产品不仅在功率上有所增加,而且能够降低余热。

 

我们能够从3U外形中看到功率水平的不断增长,该公司在3U外形尺寸上拥有超过600瓦的功能,通过导轨发出热量的方式实现转向传导冷却是第一步。公司已在电源安装方面与客户开展合作,并期待在这一过程早期阶段产生的热量。公司拥有新的VPX产品,当需要更快地传递热量时,这些产品可被传导冷却。

 

开放式体系架构为功率电子设计提供灵活性

军用功率资源公司业务开发经理Brian Paul表示,该公司成功的一部分源自VPX开放系统架构的灵活性。这一切归因于外形因素,如果VPX产品满足客户外形尺寸要求,那么公司在标准其他方面可以很灵活,这些标准为公司提供了市场发展方向。

 

VPT公司工程副总裁Leonard Leslie表示,使用像VPX这样的开放标准还推动功率电子供应商帮助其客户控制成本。在传统的军用/航空市场中,许多项目的成本控制压力越来越大。这种成本压力取决于客户需求。有些客户会要求全温度范围的密封设计,因为这些都是项目要求。但如果这些项目要求降低成本,那么商用现货产品零部件可成为节省成本的较好选择,因为COTS零部件在诸如电气和机械方面的性能与同等产品类似,但价格降低。

 

VPT公司专门从事太空、飞机和军用陆地车辆应用的功率电子器件。该公司提供全军用规格的密封设备,以及VPT和VXR COTS电源转换器,工作温度范围为-55~100摄氏度。由于COTS零部件不能覆盖整个温度范围,所以在高温领域就会失去优势。VXR系列是较新的零部件,拥有更宽的运行能力和更宽的输入范围,可在没有浪涌保护的情况下操作飞机数据总线。

 

VPT的主要目标市场之一是所谓的“新太空”,其中涉及寿命有限的相对便宜的通信卫星。在传统军事和商用太空应用领域是一项健康发展的业务,但目前新的太空领域也引起诸多投资公司的极大兴趣,试图在互联网覆盖范围内搭建大型低地球轨道卫星群。

 

 

4  Vicor公司正在超越传统的功率转换盒模块,提供比上一代功率产品小两至三倍的新设计

 

VPT公司工程副总裁Leonard Leslie指出,搭建卫星需要5~7年的时间才能实现经济回报,这些公司需要有一个过渡期。这些公司负担不起传统地球同步卫星或军用卫星所用全抗辐射、满足太空质量需求的零部件,但其正在努力满足需求。

 

COTS零部件是是否能满足未来中等寿命的卫星需求目前尚不清楚。VPT公司正在寻求能够满足这些需求的COTS零部件,但也要考虑客户需求。

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