无源元件中的最大功率密度

    领先的无源元件制造商，如爱普科斯、胜美达和威盛电子正联合诸如Treofan、FIT陶瓷、博世、赛米控、弗劳恩霍夫IISB和弗劳恩霍夫IKTS等材料专家和研究机构联合攻关“用于电力电子方面的最大功率密度高效无源元件的温度范围的增大-EPa”项目。

    根据德国政府的高科技战略IKT 2020，关注 “2020年IT和通讯技术”的创新，德国联邦教育与研究部BMBF已经为EPa项目提供了166.9万欧元的资金，投资总额将达到292.3万欧元，该项目是“LES：用于提高能源效率的电力电子技术“计划的一部分。

    这种面向应用的研究项目旨在建立一个无源元件领域的创新基础- 与最先进的电源系统相连接。IKT 2020的目标之一是扩大和加强德国在信息和通信技术领域的领先地位。该项目将历时三年，预计于2013年5月底前完成。

    EPa项目旨在通过使用创新的无源元件生产出更为紧凑的资源节约型电源系统。“使该联盟与众不同的是这是第一次元件制造商和用户一起努力改善用于开关模式电源系统的技术。”该联盟的协调人，来自胜美达元件和模块有限公司的Johann Winkler这样解释到。

    背景

    能源成本的增加，不仅是私人家庭的负担。事实上，它们正成为德国企业间一个日益增强的竞争因素。与此同时，生态目标驱使我们在资源的使用中更加负责。例如，如今全球范围内所消耗的能源中有40％是电能，预计到2040年这一数字将上升到60％。因此，对电力电子的需求也将会增长。

    电力电子技术是电气工程领域的一部分，涵盖了使用组件和系统进行电能的转换和分配。电力电子技术是有效利用资源的一种手段。通过持续使用电力电子技术，估计节能潜力为20-35％。因此作为IKT 2020年框架计划的一部分，德国政府支持 “LES：用于提高能源效率的电力电子技术”课题下的多学科研究和开发项目。

    在电力电子组件及系统中，除了功率半导体，线圈和电容器等无源元件是关键的器件。过去的20年中，在功率半导体领域取得了重大的进展，目前妨碍进一步减小电力电子组件尺寸的惟一拦路虎是无源元件所需的空间。其原因是，与IT和通讯技术领域相比，无源元件小型化的物理边界条件更为严格。例如，在通信系统中，比特和字节正被纳入越来越紧凑的系统中，相比之下，由于材料的性能原因，电力电子过程中所需的电能储存系统必须符合给定的最小体积。出于这个原因，用户普遍认为无源元件太大、太重且太昂贵。因此，对于这些元件来说，重点不仅仅只是维持在功率半导体领域的发展，而应该是要求这些元件在更高的工作频率方面有更进一步的改善。

    作为EPa项目的一部分，将开发一个元件样本- 一种供电动汽车充电的移动充电器- 通过减轻重量既提高了电力电子技术的效率又可以实现整个系统节能。从环保的角度来看，这将比单纯的基于减小电力损耗的方案带来更好的整体效果， 特别是在移动设备应用中。

    EPa联盟的主要目的是基于创新的材料、包装和冷却方案开发新一代电力电子无源元件 -这一举措将成为使电力电子组件越来越小型化的一个手段。为了实现这一目标，采取了双管齐下的办法：首先，提高所涉及材料的电能储存能力。其次，每秒钟一个线圈存储的电能1/2 LI²或一个电容器所存储的电能1/2 CU²更为频繁地从电路的输入转移到电路的输出。事实上，这意味着工作频率的明显增加，同时也意味着无源元件热损耗的剧烈增加。所以必须使用创新材料对热损耗加以限制或者使用适当的冷却措施散热。

    在技术方面，研究重点将放在基础材料的改进、元件结构的优化和结构紧凑的原型机的研制。在经济方面，目的是通过此项“同类最佳”技术领域的研发工作来减缓当前电子工业的人才流动，以便维护现有的就业机会。研究成果将受专利保护，以保证该产业在德国的可持续性。

    照片1：赛米控在纽伦堡的技术总监Bernhard Kalkmann先生

    照片 2：“使该联盟与众不同的是这是第一次元件制造商和用户一起努力改善用于开关模式电源系统的技术。”该联盟的协调人，来自胜美达元件和模块有限公司的Johann Winkler这样解释到。■