DSE各个方面的高效率促成全新设计

11th August 2018
Posted By : Dorris Wong
DSE各个方面的高效率促成全新设计

追求高效率可以构成一个企业的根基,特别是那些通过各种形式与能源密切相关的企业。

深海电子公司(Deep Sea Electronics,DSE)是设计和制造发电机控制系统、电池充电器、自动转换开关控制器以及非公路用车辆和移动机械控制系统的市场领导者, 40多年来,DSE一直在致力于采用新技术推动相关市场的创新,并提高效率。DSE公司的核心文化是开拓精神,追求新市场机遇和采用新技术的理念鲜明地体现在公司内部每个产品以及开发项目中。

在DSE电源业务部(DSE Power Division),当需要为电池充电应用开发具有功率因数校正(PFC)的新型AC/DC开关模式电源(SMPS)时,DSE把它被看作是一个机遇,通过更高效的解决方案来实现功率转换。

DSE电池充电器具有很宽的输入电压范围(90 VAC至305 VAC),之后采用SMPS拓扑架构转换为DC输出。对效率的追求决定了所使用的设计和组件需要在高频率下开关,并且能够承受苛刻工作条件,具有高可靠性。开始时,DSE对许多设计进行了评估,虽然这些设计能够在高频率下进行开关,但它们具有很高的电气噪声,并且需要大的散热系统,这使设计在满足EMC规定,并且在紧凑设计内部实现一个大散热系统时遇到很大挑战。即使这些初始概念设计中的问题能够得到解决,最终产品的效率只能达到94%左右,虽然已经比较高,但仍达不到DSE或市场所期望的要求。

正是在这一点上,DSE设计团队决定扩大考虑范围,并联系UnitedSiC公司以评估其碳化硅(SiC)共源共栅(级联)器件,这些器件将SiC JFET与常规MOSFET集成在一个封装,从设计角度看,可以直接很容易地替代传统MOSFET。设计团队很快就发现这些共源共栅器件能够带来一系列优势。

首先,由于它们能够高速进行开启和关闭,因而可以在非常高的频率下进行开关,而没有与MOSFET相关的损耗,这意味着不需要散热器。它们的散热性能也更好,而且在电气方面,它们发出的噪声更低,因此EMC兼容性也更容易实现。

开关效率方面的一个关键参数是其输出电容Coss,这些器件的输出电容远低于评估的MOSFET。因此,它们的变化率(dv/dt)要高很多,这在MOSFET器件中可能是一个局限。若使用MOSFET,dv/dt额定值通常很容易被超过,这意味着实用中必须使用栅极电阻来降低dv/dt额定值。

另一个关键参数是导通电阻或RDS(on)。所选器件的典型RDS(on)为34mΩ至45mΩ,而对于MOSFET则该值很容易达到80mΩ左右。此外,SiC器件RDS(on)的温度系数也得到了很大改善。测试表明,随着温度的升高,MOSFET器件的RDS(on)会增大三倍,而SiC器件仅增加两倍。这方面,SiC器件也比所考虑的氮化镓(GaN)器件更好。

事实上,DSE团队在经过几个方面的考虑之后放弃了GaN器件。首先,GaN仍然是一个相对昂贵的技术,但更重要的是,每个GaN器件都只可以通过定制封装来提供,这使得二次采购成为一个很大问题。SiC器件价格则更具有竞争力,采用行业标准封装,并且在市场中也变得越来越普遍。

通过采用SiC解决方案,DSE团队也能够减小所使用的烧结(sintered)无源元件的尺寸,这为紧凑型设计节省了更多空间。或许与所有这些优势同样重要的是,在相同的工作条件下,电源系统(PSU)的效率提高到96%。

新设计现已投入生产,DSE预计将生产相当数量的新型SMPS,占公司全球电池充电器市场份额的很大一部分。


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