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Nexperia | 采用Trench肖特基二极管,实现功率密度的显著提升

电源开发通常是一个艰难的过程。无论是用于交流电设备还是便携式设备,用户都期望电源达到很高的效率,同时尽可能保持小巧紧凑。成本也是一个重要因素,另外电源还必须是安全可靠的,这一点不言自明。

电源开发通常是一个艰难的过程。无论是用于交流电设备还是便携式设备,用户都期望电源达到很高的效率,同时尽可能保持小巧紧凑。成本也是一个重要因素,另外电源还必须是安全可靠的,这一点不言自明。

 

Recom 的总部位于奥地利格蒙登,作为一家非常成功的欧洲 AC/DC 电源和 DC/DC 转换器制造商,该公司必然要面临并克服这些设计挑战。在最近的一个项目中,Recom 希望开发一款电源,适用于医疗和其他应用。他们的目标是创建一个解决方案,将公司以往产品型号的功率密度提高一倍,而不影响安全性、可靠性、效率和性能。为了达到这个目标,开发团队必须采用最新的开关控制器、拓扑和元器件,因而他们向 Nexperia(安世半导体)寻找帮助。

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1Recom PowerACM1200-V1200 V AC电源

 

严格医疗要求设定基准

 

新的 Recom RACM1200-V 电源必须满足 IEC60601-1 的严格要求,包括一系列的技术标准,旨在确保医疗电气设备的安全性和性能。这些要求包括在 PCB 上提供适当的爬电距离和电气间隙,从而确保安全性,同时将功耗保持在最低水平。

 

产品参数指定 AC/DC 电源必须提供 1.2 kW 的峰值输出功率。除了主输出之外,还必须有两个辅助输出:12 V/1 A 电源为可选冷却风扇供电;始终开启的 5 V/1 A 输出用于控制和监控用途。

 

为了尽可能降低待机功耗,即便在主输出关闭时,整体效率也必须维持很高的水平。这意味着电源必须保持高效,无论是在1.2 kW峰值负载下,还是在活动待机状态下提供 5 W 或更低功率时,在单个器件中满足这一系列要求是非常困难的。

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△ 2RecomRACM1200-V AC/DC转换器框图

 

除了面向医疗用途之外,电源还必须适用于工业、楼宇自动化、IT 和家用电器部署。就外形尺寸而言,电源必须紧凑小巧,适合安装在标准 19 英寸机架内部。

 

Trench肖特基二极管应用

 

在电源设计中,最具挑战性的部分是始终开启的 5 V 输出,因为它意味着设计人员需要使用单独的 AC/DC 电源,而这个电源会占用宝贵的空间。由于设计必须保持紧凑尺寸,因而放置这个额外电路的唯一选择是在靠近主输出器件的位置,但在传送输出电流时,主输出器件会发热。这意味着过热是一个很大的风险,在进行设计时,必须非常小心谨慎。

 

最初,Recom 试图为 DC/DC AC/DC 辅助电源转换器安装平面肖特基整流二极管,但过热仍旧是一大难题(特别是在全负载条件下)。

 

为了解决这个难题,Recom 选择采用 Nexperia(安世半导体)提供的 Trench 肖特基二极管。Trench 肖特基二极管是在肖特基二极管的原始概念基础之上发展而来的。Trench 概念旨在减少漏电流,从而提高热稳定性。与平面肖特基二极管相比,Trench 肖特基二极管可以提高开关性能。

 

Nexperia(安世半导体)的 PMEG100T20ELR 器件目前已用于 RACM1200-V 的降压转换器,提供 12 W 风扇输出(参见图2)。这款 Trench 肖特基二极管采用小型扁平表贴封装,能够处理最高 2 A 的正向电流,最大反向电压为 100 V。此外,它还具有很低的漏电流。

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 △ 3RACM1200-V的高密度PCB采用PMEG100T20ELR

 

具有低反向恢复电荷和高效率

 

PMEG100T20ELR 还具有很低的正向压降。在室温下,正向压降通常为 705 mV,最大值仅为 800 mV(在 125℃温度下,典型值为 590 mV,最大值为 660 mV)。它具有很低的反向恢复电荷(Qrr),通常仅为 8.5 nC。事实证明,这些特性至关重要,可以尽可能减少转换器的每个开关周期的整流二极管损耗(请参见图4)。

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△ 4Trench肖特基整流二极管提供行业领先的开关特性和低Qrr

 

此外,他们选择的 Trench 肖特基二级管具有很低的反向漏电流,典型值仅为 60 nA(在60 V 的反向电压下)。从 DC/DC 转换的视角看来,这种特性非常重要,由于开关 MOSFET 的高占空比,输入/输出电压比率很低,因为二极管处于关断状态的时间更长。如果没有这种器件,Recom 必须更改某些电源规格数据,这些数据会对性能产生严重影响。

 

5 显示了 Trench 和平面肖特基二极管的整体效率。该图表明,在更高的开关频率下,使用 Trench 二极管的优势会增加。

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△ 5Trench和平面肖特基二极管的效率比较

 

无论器件如何高效,它总会散发一些热量,因而 Recom 工程师在如何冷却器件的问题上想了很多办法。Nexperia(安世半导体)的Trench肖特基二极管使用铜夹片式 FlatPower(CFP) 技术,改进从封装到电路板的热量传导。它可以提供小巧、纤薄且轻便的设计,实现优良的散热性能。

 

提供宽广的 SOA,改进热稳定性

 

利用 Nexperia(安世半导体)的 CFP 技术,Recom 能够设计具有低热阻抗路径的 PCB,能够散发产生的热量,而无需为功率二极管使用导热垫片或其他散热器。

 

Trench肖特基配置还意味着二极管的热稳定性得以改进,具有宽广的安全工作区(SOA),如图 6 所示。这样可以降低在整流器中出现热失控的机率。因此,Recom 工程师能够设计电源,在 50℃ 的环境温度下,提供完整辅助电源和 800 W 主电源,而无需强制风冷。

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△ 6Trench肖特基二极管的设计提供宽广的SOA

 

为了让设计的电源能够安装到标准 19 英寸机架中,最大高度必须在 40 毫米以下。Nexperia(安世半导体)的 Trench 肖特基二极管的外形尺寸非常小,需要占用的空间仅为大多数竞争器件的一半。这为 Recom 提供了更多灵活性,可以腾出电路板上的更多空间放置其他器件。

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△ 7NexperiaTrench肖特基二极管采用CFP封装,需要的PCB空间 仅为替代解决方案的一半

 

Recom 电源设计总共采用了 Nexperia(安世半导体)的超过 70 种产品,大多数是二极管、晶体管和逻辑器件,另外还有三种 Trench 肖特基二极管(器件编号PMEG40T20ER)。项目期间,Nexperia(安世半导体)电源专家随时为 Recom 提供支持,提出技术建议,帮助 Recom 工程师优化设计,选择合适的器件。

 

电源提供高功率密度,无需使用风扇

 

通过与 Nexperia(安世半导体)就此项目展开合作,Recom 能够推出高效的基板冷却式电源,其尺寸仅为 228 x 96.2 x 40 毫米。RACM1200-V 目前已经上市销售,能够提供1 kW的连续功率输出,基板温度保持在80℃。它还可持续 10 秒提供高达 1.2 kW 的峰值输出,或在有气流的情况下连续输出。它通常能够达到95 %的峰值效率。除了广泛的可编程功能之外,这款电源提供高功率密度,无需使用风扇,因而非常适合在各种高可用性应用中使用。为了满足这种产品的所有预期设计规范,Recom 发现 Trench 肖特基二极管是首选方案。它们提供良好的效率、开关性能和热稳定性组合,采用节省空间的紧凑封装。

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△ 8Recom电源的医疗应用前景

 

Recom 的创新经理 Steve Roberts 解释道:

 

我们考察了来自不同 Trench 肖特基二极管供应商的产品,经过仔细甄选,决定将 Nexperia(安世半导体)器件作为首选产品。这些器件提供增强的散热性能,具有更大的安全工作区,如果我们要满足与医疗应用相关的标准,这些特性至关重要。另外,这些产品的外形尺寸非常小巧,这也是一大关键优势。

 

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