有趣的低電感電源匯流排及其古怪專利

作者 : Bill Schweber, EE Times資深技術編輯

美國桑迪亞國家實驗室(SNL)的研究團隊開發出一種高電流、低電感的實體電源匯流排拓撲結構,而無需使用電解電容器,但其專利卻採用了不同於平常的觀點…

在電動車和混合動力車等應用中,直流(DC)電流會隨開關頻率的提高而不斷增加,因而對於DC電源匯流排性能的要求就不僅限於IR壓降(即電壓降)和散熱了。隨著設計要求的提高,以及使用碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)開關等寬能隙元件(WBG)的日益流行,現在的DC電源匯流排必須在數百kHz的高頻率下保持非常低的電感特性。

匯流排必須具有低電阻和低電感,同時還必須有足夠的電容以消除電壓紋波。遺憾的是,因為互連和內部寄生效應,能夠滿足低電感要求的電容器卻無法滿足低阻抗要求。要想實現多個相互衝突的目標,除了簡單地增加更多大電容外,還可以嘗試使用其他不同的方法。

最近,美國桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories;SNL)的一個團隊開發出一種解決這個問題的有趣方法,並為此申請了專利。桑迪亞國家實驗室是由美國桑迪亞公司(Sandia LLC;Honeywell International Inc.旗下全資子公司)的國家技術和工程方案部門管理和營運,隸屬於美國能源部(Department of Energy;DoE)的國家核能安全管理局(National Nuclear Security Administration;NNSA)。

他們的設計使用類似於電路板(PCB)的分層結構,在兩個金屬平面中間採用聚合物電介質隔開,以提供「平面」(planar)電容,如圖1所示。

 1:電源匯流排看起來像一個PCB,但採用了聚合物電介質而非玻璃環氧樹脂,因此可以用於作為平面電容器。(來源:Sandia National Laboratories)

如圖2所示,這種基本容抗主要透過大量(數百個)的小型多層陶瓷電容器(MLCC)來加以提高,而不是常規的電解電容器或薄膜電容器;這些MLCC透過標準PCB過孔在平面之間相互連接。

2:組裝板頂視圖和底視圖顯示出大量的MLCC元件,以及一個大型的不間斷「接地」平面。(來源:Sandia National Laboratories)

這種方法同時具有電氣和熱管理的優勢。如此多的電容器散開放置可降低高頻電流元件的並聯阻抗,而扁平陶瓷電容可以承受更高的溫度並促進氣流流動。它還有一些其它好處。在現有的應用中,正極和負極(通常稱為接地)通常使用匯流排,正負極之間間隔很大。當磁場線穿過這個大範圍區域時,由於電流迴路較大,有效電感也較高。而Sandia Laboratories採用的這種平面方法可以減小電流迴路的面積,從而大幅地降低了電感。

他們開發的原型板採用2盎司的覆面PCB材料,尺寸約為6×11×0.062英吋(150×280×1.6mm),配有336 0.15µF/1000V MLCC電容(採用X7R電介質並符合AEC-Q200認證,適合汽車應用)。其模型和模擬結果顯示,總電容為50.4µF,足以將紋波保持在100kHz時的目標值以下。

除了大量的建模之外,他們還使用阻抗測量儀器在100Hz至10MHz範圍內測試了該設計方案(如圖3),結果與其模型非常吻合。他們並將其結果與Toyota Prius混合動力車所採用的類似匯流排模型進行比較,結果發現他們的匯流排性能更高、體積更小,而且可以承受更高的溫度。

3:阻抗與頻率關係的測試結果顯示,模擬單元和實體單元的性能非常接近,且優於Toyota Prius油電車目前所採用的匯流排性能。(來源:Sandia National Laboratories)

那麼,這個「低電感DC電源匯流排」(專利號10,084,310)又是怎麼回事呢?該專利涵蓋了建模、討論、分析、設計、構造和測試結果,當然,這些都是需要用來解釋它們如何構成低電感電源匯流排的。

但這些都不是令人印象深刻之處。我曾經閱讀或瀏覽過許多專利,大部分都相當枯燥,技術性很強。經常在看完那些形式化的章節後,你會發現一些內容豐富的原始資料。簡而言之,一般會這樣寫道:「針對存在的問題,這是我們提出的創新解決方案,它的工作方式和原理是這樣的…。」然後這個專利報導就這樣地講完了。

然而,這個「低電感DC電源匯流排」專利讀起來卻更像是市場推廣文案或是供應商在《EDN》上發佈的技術文章。前面的很多篇幅都用來討論市場需求和機遇、不同方法之間的權衡取捨以及類似的考慮,直到最後才談及創新方案本身的細節。我感到有些困惑,因為我認為專利的發佈僅取決於其技術優勢,而不是任何市場分析或需求。畢竟,許多專利是授予那些獨特的、非顯而易見的設計,這些設計通常沒有或僅具有極小的商業前景,或只是為防止他人搶先而先下手為強。許多專利設計被束之高閣,有些專利所針對的是已經上市的產品,而另一些則處於無人問津的狀態(直到有一天等其它技術一併發展起來時它們才變得有價值)。

這種專利市場分析和競爭定位是好是壞?我不知道,或許也無關緊要。但我真的希望增加這些內容不會成為獲得專利的因素,因為這可能會箝制了一些現在看來毫無用處或不切實際而將來可能凸顯巨大價值的想法。

您是否曾參與過設計、創新或方法的專利申請?你在專利申請材料中會去解釋其市場需求嗎?

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年6月號;參考原文: An Interesting Low-Inductance Power Bus, and Its Slightly Strange Patent)

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