考虑到现有设备基数、新安装成本以及停机时间，升级和更新通常被视为颇具吸引力的解决方案。然而，为现有机柜和外壳添加新功能可能非常复杂。在一篇文章中几乎不可能涵盖工业设备升级过程中出现的各种业务场景，但系统架构师面临的一个难题值得探讨：如何在保持原有外形、尺寸和功能 (3F) 不变的情况下提升性能，或者在保持与现有设备完全兼容的前提下增加更多功能（图 1）。有哪些最新的创新解决方案能够实现这一点？
最新的创新能源解决方案背后是什么？
几十年来，电力供应的能源效率水平的提高得益于技术进步。从线性技术到开关技术的过渡可能是最重要的，随后经历了几次较小的飞跃，直到数字电源进入市场，之后是宽带隙半导体（WBG）（氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC））。尽管WBG技术已经上市多年，但随着其出现以及这些器件所带来的可能性，数字控制已成为电源设计人员开发新产品时的绝对必需品和基本要素，尤其是在应对与工业现代化相关的第三阶段（3F）时。就器件而言，WBG晶体管无疑将在未来几年占据主导地位。WBG
半导体有趣的地方在于，我们正在目睹与第一代功率MOSFET类似的情况。一些人立即认识到了WBG的优势，尽管最初的产品由于基于耗尽模式，需要非常特殊的驱动器，因此不太易于使用，但功率半导体制造商很快就推出了各种版本和解决方案。“易于使用”。
制造商几年前就开始宣传这项技术的优势，但尽管“上市”准备就绪，对于工业应用中的大众用户而言，WBG技术的“首选应用”仍需时日。我们都熟悉“驼峰曲线”，它反映了新技术的采用和跨越技术鸿沟的过程（图02）。电力领域的资深设计师已经多次跨越了这一技术鸿沟，最近一次是从模拟控制向数字控制的过渡。WBG技术的采用也遵循了同样的模式，但最初是由消费类应用（例如USB充电器）和汽车行业推动的。汽车行业将WBG技术应用于动力总成，车载和外置充电器的普及进一步推动了WBG技术在这些领域的应用。
图 02：反映新技术采用和跨越鸿沟的“驼峰”曲线（来源：PRBX / Geoffrey A. Moore）
宽禁带（WBG）技术具有提高开关频率和效率的优势，从而可以在相似的封装尺寸内实现更小的电源和更高的功率。然而，仅靠WBG技术不足以满足3F的要求。半导体技术的进步固然重要，但在追求提高功率密度、降低功率损耗和提供更多功能的过程中，电源设计人员必须考虑变压器本身，以及如何使其更小巧、集成度更高。
在这方面，电源设计人员已经探索了采用交错多芯技术的先进平面变压器的潜力。并非所有电源都需要兆赫兹开关频率，但考虑到WBG半导体的潜力和功率密度的提升，电源设计人员需要考虑新型变压器和新的绕线技术。这表明目前仍需进行更多研究，而非已准备好进行大规模生产。不过，铁氧体制造商开发的新材料以及人工智能软件（例如Frenetic和Simba）的出现，正在加速这一进程，这些软件可以缩短新型变压器的设计和测试时间。
PRBX正在进行的研究就是一个具体的例子。该研究将数字控制、宽禁带氮化镓（WBG-GaN）和多芯变压器与先进的布线和自调谐性能相结合，以适应某些工业应用中常见的宽工作范围。这些应用需要极宽的输入电压范围，以及承受重复峰值负载的输出。最终产品目前正处于设计阶段，但我们获得的初步结果非常令人鼓舞，而这些成果的取得离不开数字控制、宽禁带技术和先进磁性技术的结合（图03）。
图 03：采用平面磁性、宽禁带 (WBG) 和数字控制的高功率密度电源（来源：PRBX）。
至此，我们可以欣慰地看到集成度之高，以及将上述三种技术（数字控制、宽禁带和集成变压器）相结合所能带来的巨大收益。为了说明这一点，高效电源转换公司 (EPC) 展示的采用 40 V GaN EPC2067 的模块就非常引人注目。这三种技术的结合使得功率转换器的尺寸缩小到前所未有的 22.9 x 17.5 mm，并在火柴盒大小的小型封装中实现了 5 kW/立方英寸的功率密度（图 04）。
图 04：高效功率转换器（来源：PRBX/EPC）
从研究到应用：
五年前，USB充电器制造商率先利用上述三项技术的优势，开发并销售高功率密度电源，我们很多人在给手机或笔记本电脑充电时可能已经在使用这种电源。在市场采纳曲线中，工业领域更为保守，需要更多时间来评估新技术，验证其在实际运行条件下的性能和可靠性（显然，工业环境比USB充电器的要求更高），验证其稳健性，并确保供应链和长期可持续性。
这里无法涵盖所有案例，但值得一提的是一家微电子工厂的现代化改造，该工厂使用多个电源为传感器、传输系统和报警器供电。最初，该工厂采用传统的开放式机架，由一个50W的输出电源供电。而现代化改造后的架构需要一个高度紧凑的电源解决方案，其体积仅为传统产品的三分之一，才能装入原本容纳25W电源的更小机箱中。为简化流程，负责该项目的升级经理要求50W功率解决方案必须完全符合其参考方案的3F标准，不容有任何妥协，并且这是认证的必要条件。
根据物理定律，实现如此高的功率密度的唯一途径是提高开关频率、集成磁性元件并采用优化的功率拓扑结构（图05），同时降低系统整体功耗。
图 05 - COSEL 公司开发的结合了 WBG、数字控制和集成磁性技术的新型电源技术，实现了 50W 电源尺寸的缩小示例。（来源：PRBX/COSEL）
结论：
上述案例仅为众多例证之一，但正如在消费电子和汽车领域一样，数字控制、宽禁带和集成磁体这三项技术的融合应用，对于开发工业应用电力解决方案至关重要。对于电力系统设计人员而言，这是一个参与工业现代化并应用有助于降低能耗技术的激动人心的时代。
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参考资料：
Powerbox (PRBX)：
https://www.prbx.com/
COSEL
https://en.cosel.co.jp/
高效能源转换 (EPC)
https://epc-co.com/epc/
作者简介：
Patrick Le Fèvre， Powerbox，是一位拥有40年电力电子行业经验的商业专家和资深工程师。他一直致力于推动数字能源等新技术的商业化，并积极推动降低能耗的技术创新。Le Fèvre曾在众多国际领先的电力电子会议上撰写并发表了大量白皮书和文章，这些内容已被全球媒体转载超过450次。此外，他还积极参与各类环保论坛，分享其在清洁能源领域的专业知识和经验。
Patrick Le Fèvre
营销和传播总监
