长期以来，研究人员一直专注于缩小
电子系统和电源的尺寸以及提高效率。这是因为空间限制和降低功耗的需要。举个例子，一枚空间和重量都有限制的太空火箭，以及必须容纳在那个有限空间内的数千个电子系统。随着这些电子系统数量的增加，需要更大的推力才能将增加的重量发送到太空。添加更先进的传感器和相关电子设备将需要更小、更高效的轻型系统。因此，增加功率密度是解决问题的办法。
功率密度是每单位体积处理的功率量，以瓦特每立方米为单位。电子板的功率密度是通过首先测量板提供或吸收的功率来计算的。它是相对于电路板尺寸处理（汲取/提供）的功率的量度。计算功率密度的方法相当简单：计算功率 ( V O × I O )，然后除以电路板的面积（长度×宽度），再乘以电路板上元件的高度。
用于测量体积和表示功率的单位取决于应用。例如，千瓦每升是电动汽车车载电池充电器的常用品质因数 (FoM)，因为这些功率转换器处理的功率范围为 3 kW 至 22 kW。在下图中，转换板的功率密度将为 1.43 MW/m 3。对于稳压器等设备，电流密度通常是 FoM，因为这些设备的尺寸取决于输出电流；因此，不考虑电压。这确保了正确的测量，避免了功率密度数字的人为膨胀。
65W 有源钳位反激式转换器。 是什么限制了功率密度？ 在所有电子设备中，无论是电源还是稳压器，
变压器、
电容器、散热器和电感器等无源元件占据了的空间，而半导体 IC 和控制电路则体积更小且集成度更高。这个问题的一个简单但有约束力的解决方案是增加操作频率。例如，在设计电感器时，电感量与工作频率成反比；因此，增加工作频率会降低电感值，电感器的尺寸也会减小。
同样，增加频率也会增加控制环路带宽，从而减少满足瞬态性能要求所需的电容。此外，可以设计更小的变压器并在相同的电压和电流额定值下运行，而不会使铁芯饱和。但主要的限制因素是增加的
开关损耗。
今天所有的电源转换器都以不高于兆赫兹范围的开关频率运行。这是因为增加的开关损耗会导致不良的热效应和功率损耗。开关损耗有多种类型，开关损耗影响操作的程度取决于应用。
实现高功率密度的权衡是什么？
400 MHz（左）和 2 MHz（右）额定功率为 3 A/36 V 的转换器的尺寸比较
提高功率密度的另一个限制因素是器件的热性能。热性能在器件的整体功率密度中起着重要作用。为了使设备正常运行，有必要将产生的热量排出以防止过热。由于微型化趋势的增加，可用于散发热量以维持环境温度的区域已经减少。随着封装尺寸、管芯尺寸和整体功率密度的提高，预期的热性能会降低，除非特别注意保持和增加它们。
了解开关损耗
如前所述，开关损耗有多种类型，损耗类型取决于应用。考虑到降压转换器，与每个损耗组件相关的关键限制因素讨论如下：
与费用相关的损失。在降压转换器中，给寄生电容充电和放电需要一定量的能量。栅极和开关的功率损耗与工作频率成正比，因此通过降低频率可以降低功率损耗，这对于提高功率密度是不可取的。因此，在传导损耗和开关损耗之间存在权衡。
反向恢复损失。当低压侧 MOSFET 的
二极管导通而高压侧 MOSFET 导通时，会产生反向恢复电流。因此，需要电流来去除低压侧二极管中的少数载流子，这会增加开关损耗。
开启和关闭损耗。降压转换器中的寄生环路电感会导致与开关相关的损耗。当高压侧 MOSFET 传导电感器电流并关闭时，瞬态电流 di/dt 会导致电压尖峰。di/dt 的值越高，开关损耗越低。因此，必须仔细控制 MOSFET 的开关速度，以使降压转换器以效率运行。
如何实现高功率密度
针对上述损耗之一只能在一定程度上提高功率密度，之后必须单独针对每个单独的限制因素。使用氮化镓等更新的化合物是前进的方向。Texas Instruments 利用 GaN 的零反向恢复、低输出电荷和更高转换率的特性来显着降低损耗并实现更高的开关频率。
除了更新的化合物，提高 IC 封装的热性能直接影响功率密度。TI 开发了 HotRod 封装技术，用倒装芯片式封装取代了通常使用的键合线型四方扁平无引线封装，从而显着降低了寄生环路电感，有助于降低热量生产的。因此，可以根据应用以不同方式查看功率密度，但提高功率密度的终目标可以通过减小器件尺寸来实现。
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