大功率 AC/DC 电源的设计注意事项
2019-2-5
了解下一代机器人和电动交通系统的重型自动化电源解决方案的关键注意事项。
1.引言
本白皮书旨在阐述适用于下一代机器人和电动交通系统的重型自动化电源解决方案的关键设计注意事项。这些应用领域由先进制造（也称为智能制造，工业 4.0）和电信（例如 5G 及更新技术，机器对机器 (M2M) 通信，车用无线通信技术 (V2x)，物联网 (IoT)，工业物联网 (IIoT) 等）的融合所推动。
本白皮书的另一个目标是帮助在制定评估电源解决方案的英明决策过程中应用这些注意事项。总体而言，本白皮书侧重大功率解决方案的相关内容，但也涉及大量微功率设备及普遍存在的感应相关问题。
本白皮书的另一个目标是帮助在制定评估电源解决方案的英明决策过程中应用这些注意事项。总体而言，本白皮书侧重大功率解决方案的相关内容，但也涉及大量微功率设备及普遍存在的感应相关问题。
大功率对您而言意味着什么？
在讨论大功率与低功率时，谨慎的做法是先退一步，定义这些术语的含义，因为它们一定是相对而言的，并且在业内并无正式定义（例如，相对于电压等级）。如果您在电力工程领域从事大型电站级转换器的工作，那么对您而言，低功率系统可能也达到兆瓦级别。而在 IoT/IIoT 领域，即使是预算只有一瓦特甚至更少的系统，可能也会被视为是大功率系统。
另请记住，“大功率”并不等同于同时拥有高电压和高电流。在讨论应用中的功率等级时，首先应询问对方“大功率”对他们而言意味着什么，并给出一些当前应用的电压和电流等级示例。这有助于标准的设定，并能防止后续出现大量沟通不畅的情况。
另请记住，“大功率”并不等同于同时拥有高电压和高电流。在讨论应用中的功率等级时，首先应询问对方“大功率”对他们而言意味着什么，并给出一些当前应用的电压和电流等级示例。这有助于标准的设定，并能防止后续出现大量沟通不畅的情况。
工业 4.0 与电动交通重新定义电源行业
工业 4.0 和 电动交通推动着系统（及电源解决方案）在设计和实施的方式上的转变。实际上，这些将技术、电源与系统解决方案相整合的新机遇，对供应链本身有着极大冲击，因为以前的分散解决方案，现在必须全部融合到自动化系统中协同工作。
自动驾驶汽车 (AV) 就是一个典型示例，因其本质上是一个先进的机电系统，可将具有能源储存/管理功能的电动传动系统集成电机驱动装置（电动交通），与一个无处不在的、能实现内部/外部通信 (IIoT/M2M) 的传感器网络和日益增多的个人娱乐功能（信息娱乐）相结合。从本质上而言，自动驾驶汽车必然会成为车轮上的数据中心/网络基站/多媒体中心。这种解决方案的经济可行性还需要依托机器人和工厂自动化方面的最佳技术，使新设计适应不断变化的市场需求。考虑到前述所有解决方案的移动性要求，尺寸、重量和功率 (SWaP) 特性是至关重要的推动因素。
存在一些相当普遍的总体趋势，例如需要提高整体系统功率和功率密度。工厂的照明灯可能会因为机器不需要而关闭（即所谓的“黑暗仓库”），电源转换器变得越来越智能，越来越高效，但电费账单上的数字仍在增加，这是因为，功耗会随着仓库装货量的增多而增加。从面向无处不在的物联网传感器的微功率系统，到针对机器人手臂的最大功率系统，均是如此，即使可通过提高开关频率来缩减较大滤波器元件的尺寸，从而缩小电源本身的尺寸，也同样如此。
随着新应用领域的不断涌现，即使电源技术在不断改进，能够提高功率密度从而缩减电源解决方案的尺寸并降低热损耗，但总体功耗预算却并未呈现下降趋势（甚至保持不变）。
在不受束缚的应用中，燃料成本通常是衡量应用可行性的首要指标，因此无论是化石燃料驱动的飞机，还是电力驱动的火车，每行驶一公里都会关联一项成本，从而直接反映出车载能源消耗的影响。由于所有电源解决方案均涉及到能源转换、换向和调节，因此在总拥有成本 (TCO) 计算中，相关的 SWaP 因素与资本支出 (CAPEX) 和运营支出 (OPEX) 具有密切关系。
自动驾驶汽车 (AV) 就是一个典型示例，因其本质上是一个先进的机电系统，可将具有能源储存/管理功能的电动传动系统集成电机驱动装置（电动交通），与一个无处不在的、能实现内部/外部通信 (IIoT/M2M) 的传感器网络和日益增多的个人娱乐功能（信息娱乐）相结合。从本质上而言，自动驾驶汽车必然会成为车轮上的数据中心/网络基站/多媒体中心。这种解决方案的经济可行性还需要依托机器人和工厂自动化方面的最佳技术，使新设计适应不断变化的市场需求。考虑到前述所有解决方案的移动性要求，尺寸、重量和功率 (SWaP) 特性是至关重要的推动因素。
存在一些相当普遍的总体趋势，例如需要提高整体系统功率和功率密度。工厂的照明灯可能会因为机器不需要而关闭（即所谓的“黑暗仓库”），电源转换器变得越来越智能，越来越高效，但电费账单上的数字仍在增加，这是因为，功耗会随着仓库装货量的增多而增加。从面向无处不在的物联网传感器的微功率系统，到针对机器人手臂的最大功率系统，均是如此，即使可通过提高开关频率来缩减较大滤波器元件的尺寸，从而缩小电源本身的尺寸，也同样如此。
随着新应用领域的不断涌现，即使电源技术在不断改进，能够提高功率密度从而缩减电源解决方案的尺寸并降低热损耗，但总体功耗预算却并未呈现下降趋势（甚至保持不变）。
在不受束缚的应用中，燃料成本通常是衡量应用可行性的首要指标，因此无论是化石燃料驱动的飞机，还是电力驱动的火车，每行驶一公里都会关联一项成本，从而直接反映出车载能源消耗的影响。由于所有电源解决方案均涉及到能源转换、换向和调节，因此在总拥有成本 (TCO) 计算中，相关的 SWaP 因素与资本支出 (CAPEX) 和运营支出 (OPEX) 具有密切关系。
对于关键任务、大型系统和交通运输应用：安全是重中之重
从增强的隔离级别，到更严格的电磁兼容性 (EMC) 以及冲击和振动标准，大多数高可靠性（特别是更大功率）应用都受到一系列严格而混杂的标准的监管，这些标准可能是客户所要求，并且/或者是地区法规所规定。接地可能相当复杂，但对于操作和安全来说同样重要。
您的应用可能至关重要，但避免“不利的局部热事件”（即火灾）也同样重要。如果您对某个行业的典型安全和资质标准不熟悉，那么在开始电源设计之前，应加以了解。
例如，内置到医疗级机器人设备中的电源，可能是帮助外科医生手术的机器人手臂，也可能是可以抬起或翻转患者以方便治疗的动力工作台。医疗安全要求比工业应用的要求严格得多，需要双重操作者保护措施 (2MOOP) 和双重患者保护措施 (2MOPP)，更高的绝缘耐受电压、更宽的爬电距离和电气间隙，以及更严格的泄漏电流限制。
您的应用可能至关重要，但避免“不利的局部热事件”（即火灾）也同样重要。如果您对某个行业的典型安全和资质标准不熟悉，那么在开始电源设计之前，应加以了解。
例如，内置到医疗级机器人设备中的电源，可能是帮助外科医生手术的机器人手臂，也可能是可以抬起或翻转患者以方便治疗的动力工作台。医疗安全要求比工业应用的要求严格得多，需要双重操作者保护措施 (2MOOP) 和双重患者保护措施 (2MOPP)，更高的绝缘耐受电压、更宽的爬电距离和电气间隙，以及更严格的泄漏电流限制。
医疗 EMC 限制也更为严格，目的是减少相邻设备相互干扰和影响安全的可能性。这一切都意味着，除非对工业级电源进行规模修改以满足额外的医疗级安全保护措施要求，否则即使这种电源完全有能力为医疗机器人应用输送充足电力，也不允许使用。这意味着需要对 PCB 布局、变压器结构和 EMC 滤波器元件彻底进行重新设计。如果不了解特定行业标准的要求，可能会付出很高的代价。
虽然功率与电流成正比 (P = I x V )，但如果要在转移大量能量的同时仍试图优化 SWaP 因素，通常需要提高电压，因为电阻功耗取决于流经连接和导体的电流的平方（I2R 损耗）。使用更高的总线电压可以最小化输送相同功率时的配电电流，从而减少电阻损耗。这可能会为电源设计带来一些挑战。其中一个挑战是，电压越高，所需的间距就越大（例如，体积更大的电源），并且/或者绝缘性要求就越高（例如，需要使用更重、更昂贵的电源）。
在非常高的电压下会发生电晕效应，会因空气电离而产生放电，或在非导电表面出现电痕化，因而可能会造成未直接接触带电导体的人员或物品受到电击。
必须在设计中加入防范此类危险的措施。另一个挑战是，元器件额定电压必须更高，这通常会使其比低电压元器件体积更大、成本更高，可能也更难购得。因此需要在低电阻损耗和成本/复杂性增加之间找到平衡。
如前所述，在这里讨论的大功率应用类型中，安全绝对是重中之重。如果大功率电源“丧失可靠性”，将意味着严重的人身伤害，或对极其昂贵的设备造成灾难性损坏（仍然在较轻的程度上）。特别是对于高电压应用，请务必就相应安全标准提前做好准备，除非您接受过正式培训并拥有适当设备，否则不要试图在自己的工作台上胡乱进行高电压设计。
首先从应用的电压隔离、接地和泄漏电流要求开始，因为这些要求和规格可以让您真正认识到在这些方面经验匮乏的危险。
虽然功率与电流成正比 (P = I x V )，但如果要在转移大量能量的同时仍试图优化 SWaP 因素，通常需要提高电压，因为电阻功耗取决于流经连接和导体的电流的平方（I2R 损耗）。使用更高的总线电压可以最小化输送相同功率时的配电电流，从而减少电阻损耗。这可能会为电源设计带来一些挑战。其中一个挑战是，电压越高，所需的间距就越大（例如，体积更大的电源），并且/或者绝缘性要求就越高（例如，需要使用更重、更昂贵的电源）。
在非常高的电压下会发生电晕效应，会因空气电离而产生放电，或在非导电表面出现电痕化，因而可能会造成未直接接触带电导体的人员或物品受到电击。
必须在设计中加入防范此类危险的措施。另一个挑战是，元器件额定电压必须更高，这通常会使其比低电压元器件体积更大、成本更高，可能也更难购得。因此需要在低电阻损耗和成本/复杂性增加之间找到平衡。
如前所述，在这里讨论的大功率应用类型中，安全绝对是重中之重。如果大功率电源“丧失可靠性”，将意味着严重的人身伤害，或对极其昂贵的设备造成灾难性损坏（仍然在较轻的程度上）。特别是对于高电压应用，请务必就相应安全标准提前做好准备，除非您接受过正式培训并拥有适当设备，否则不要试图在自己的工作台上胡乱进行高电压设计。
首先从应用的电压隔离、接地和泄漏电流要求开始，因为这些要求和规格可以让您真正认识到在这些方面经验匮乏的危险。
现代应用在单一应用中集聚多个行业的挑战
电力、计算和无线通信的融合需要对所谓的电力价值链 (PVC) 中的每一毫瓦都进行不同的思考和评估，电力价值链表示源和负载之间所有分配/转换步骤的能量流。
下图所示为 PVC 示例，展示了从发电厂到网络边缘设备的能量流动。它通过无单位的数字来描述元器件的功耗，以评估在 PVC 内任何给定点的能源利用总成本，也称为功率成本系数 (PCF)。在这种情况下，终端用户设备可能是高端制造机器人或智能电话，但无论如何，如果链路中的电力来自上游电厂，则该无线链路显示的 PCF（即功率成本系数）可能高达 1,000,000+x，而如果是本地发电（例如，能量采集或收集），则可能为 1x。接收数据每耗费一毫瓦，需要电厂实际产生 20-60++ W 的电力，而如果是本地供电，可能只需要几毫瓦，二者有着巨大差异。
如果您将这种差异扩大到一个工厂内的 10,000 甚至 100,000 个感应点或无线传感器网络 (WSN)，您很快就会发现，所有这些微小的传感器对 PVC 的上游构成有着不相称的、意想不到的影响。
图 1：具有相关 PCF 指标的连接系统 PVC 图 [1]
在大功率系统应用中务必要考虑这一概念，因为它可以帮您在 PVC 环境中直观地掌握耗电设备的电力需求，这对于理解对 CAPEX 和 OPEX 的影响非常有帮助。在当今的互连环境中，这种表示方式也有助于理解部署大量无线设备（即使功率相对较小）如何会对上游能源需求产生不相称的影响。
PVC 概念远远超出了增加功率/密度的考虑范围，必须涵盖部署了诸多新设备的架构风格。例如，我们可能需要设计中间储能解决方案，以确保始终满足高可靠性应用的需求，同时还希望尽量减少对冗余备份系统等开销更高（在 CAPEX 和 OPEX 方面）的解决方案的需求。我们还应注意，该 PVC 概念（以及相关的 PCF 指标）可用来分析任何一串源和负载，无论是通过蜂窝网络还是完全包含在系统（甚至 IC）内部。
下图所示为 PVC 示例，展示了从发电厂到网络边缘设备的能量流动。它通过无单位的数字来描述元器件的功耗，以评估在 PVC 内任何给定点的能源利用总成本，也称为功率成本系数 (PCF)。在这种情况下，终端用户设备可能是高端制造机器人或智能电话，但无论如何，如果链路中的电力来自上游电厂，则该无线链路显示的 PCF（即功率成本系数）可能高达 1,000,000+x，而如果是本地发电（例如，能量采集或收集），则可能为 1x。接收数据每耗费一毫瓦，需要电厂实际产生 20-60++ W 的电力，而如果是本地供电，可能只需要几毫瓦，二者有着巨大差异。
如果您将这种差异扩大到一个工厂内的 10,000 甚至 100,000 个感应点或无线传感器网络 (WSN)，您很快就会发现，所有这些微小的传感器对 PVC 的上游构成有着不相称的、意想不到的影响。
图 1：具有相关 PCF 指标的连接系统 PVC 图 [1]
在大功率系统应用中务必要考虑这一概念，因为它可以帮您在 PVC 环境中直观地掌握耗电设备的电力需求，这对于理解对 CAPEX 和 OPEX 的影响非常有帮助。在当今的互连环境中，这种表示方式也有助于理解部署大量无线设备（即使功率相对较小）如何会对上游能源需求产生不相称的影响。
PVC 概念远远超出了增加功率/密度的考虑范围，必须涵盖部署了诸多新设备的架构风格。例如，我们可能需要设计中间储能解决方案，以确保始终满足高可靠性应用的需求，同时还希望尽量减少对冗余备份系统等开销更高（在 CAPEX 和 OPEX 方面）的解决方案的需求。我们还应注意，该 PVC 概念（以及相关的 PCF 指标）可用来分析任何一串源和负载，无论是通过蜂窝网络还是完全包含在系统（甚至 IC）内部。
2.大功率应用的特殊设计需求
近年来，宽带隙 (WBG) 功率元件（例如分别由氮化镓 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 制成的此类元件）声名大噪，因为它们能满足改进电源 SWaP 因素的长期需求，尤其是推动了开关速度的加快，从而缩减了大型滤波器元件的尺寸。
提高效率的额外好处是能够减少热损耗从而缩小热管理解决方案的尺寸（如果在某些情况下不能完全消除热损耗）。与 Si 材料相比，大型系统将从这些材料的独特性能中获益匪浅。
GaN 的价值主张目前倾向于低于 800 V 的应用（在效率和尺寸方面与 Si 材料竞争），而 SiC 的价值主张则倾向于高达 3 kV 的应用（在散热和尺寸方面与 IGBT 竞争）。
SiC 的导热率比 Si 高 3 倍，因此可以在较小的热裕度下工作，在常见应用中更加可靠，可在更恶劣环境下更长时间地工作。
提高效率的额外好处是能够减少热损耗从而缩小热管理解决方案的尺寸（如果在某些情况下不能完全消除热损耗）。与 Si 材料相比，大型系统将从这些材料的独特性能中获益匪浅。
GaN 的价值主张目前倾向于低于 800 V 的应用（在效率和尺寸方面与 Si 材料竞争），而 SiC 的价值主张则倾向于高达 3 kV 的应用（在散热和尺寸方面与 IGBT 竞争）。
SiC 的导热率比 Si 高 3 倍，因此可以在较小的热裕度下工作，在常见应用中更加可靠，可在更恶劣环境下更长时间地工作。
图 2：WBG 与 Si 材料性能指标基准雷达图 [2]
近年来，宽带隙 (WBG) 功率元件（例如分别由氮化镓 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 制成的此类元件）声名大噪，因为它们能满足改进电源 SWaP 因素的长期需求，尤其是推动了开关速度的加快，从而缩减了大型滤波器元件的尺寸。提高效率的额外好处是能够减少热损耗从而缩小热管理解决方案的尺寸（如果在某些情况下不能完全消除热损耗）。
虽然 WBG 设备的所有指标听起来不错，但其极快的转换速度也带来了少量设计上的挑战。由于多种原因，必须小心控制纳秒栅极转换产生的极高 di/dt，其中可能包括由寄生电感产生的过高电压，这可能会导致出现电气过应力 (EOS) 情况和电源硬故障，或者引入过多的能量以致无法保持在传导和辐射发射 EMC 要求的阈值内。WBG 设备的栅极阈值电压也往往低于 Si 材料同类产品，因此可能更容易因栅极驱动噪声或者由开关本身的栅极-漏极电容（即米勒电容）所引起的尖峰而误导通。
虽然 WBG 设备的所有指标听起来不错，但其极快的转换速度也带来了少量设计上的挑战。由于多种原因，必须小心控制纳秒栅极转换产生的极高 di/dt，其中可能包括由寄生电感产生的过高电压，这可能会导致出现电气过应力 (EOS) 情况和电源硬故障，或者引入过多的能量以致无法保持在传导和辐射发射 EMC 要求的阈值内。WBG 设备的栅极阈值电压也往往低于 Si 材料同类产品，因此可能更容易因栅极驱动噪声或者由开关本身的栅极-漏极电容（即米勒电容）所引起的尖峰而误导通。
这里的关键信息是，WBG 元器件并不能直接代替 Si 同类元器件。一些特殊设计要求远远超出了本白皮书的范围，但若 SWaP 因素等同，就值得为之大量付出。
尽管如此，我们不应低估学习曲线和设计上的细微差别，正因如此，这一领域内经验丰富的电源供应商甚至提供为 WBG 设计量身定制的具有不对称输出电压的栅极驱动隔离电源定制解决方案，这样设计师就可以专注于优化系统而不仅仅是电源的传动系统。
尽管如此，我们不应低估学习曲线和设计上的细微差别，正因如此，这一领域内经验丰富的电源供应商甚至提供为 WBG 设计量身定制的具有不对称输出电压的栅极驱动隔离电源定制解决方案，这样设计师就可以专注于优化系统而不仅仅是电源的传动系统。
图 3：硅基与碳化硅基家用转换器解决方案展示图 [2]
3.大功率应用的特殊资源需求
除了大功率系统的设计注意事项外，系统的巨大功率和尺寸可能需要一些非常特殊的需求来对整体解决方案进行有效测试和验证，可能需要定制的解决方案。
高可靠性应用必须…
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