汉高浅谈电源转换和热管理

在这一集中，我们的嘉宾是 汉高粘合剂技术业务部电力和工业自动化市场战略总监贾斯汀·科尔贝 (Justin Kolbe)。他是一名受过培训的化学工程师，在热管理解决方案和电子材料开发和加工方面拥有丰富的经验。我们与他讨论了不同市场的功率转换及其热管理的不同方面。扬声器

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥，贾斯汀·科尔贝

开始

欢迎来到 Powerup，这是一个由 Maurizio Di Paolo Emilio 主持的播客节目，它为电力电子新闻网站上的一些关于电力电子技术和产品的故事带来了生命，并通过其他 Aspencore 媒体出版物。在这个节目中，您将听到工程师和高管讨论电力电子在汽车、工业和消费等市场中的新闻、挑战和机遇。这是您的主持人，电力电子新闻网站和 eeweb.com 的主编 Maurizio Di Paolo Emilio。

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥 31:31

大家好，欢迎来到 Powerup 的这一新剧集。在本播客中，我们将讨论电源转换及其热管理。与贾斯汀科尔贝。贾斯汀是汉高粘合剂技术业务部电力和工业自动化市场战略总监。他在热管理解决方案和电子材料开发和加工方面拥有丰富的经验。汉高是全球粘合剂、密封剂和功能性涂料的解决方案供应商。汉高材料通过高性能配方为电力和工业自动化市场创造价值，这些配方通过有效的热管理、可靠的电气功能和长期可持续性确保稳定运行。从电动汽车和工业模型到将太阳能电池板和风力涡轮机连接到电网的电源适配器和逆变器，电力电子产品无处不在。功率转换设备使用功率半导体来改变和控制电能的流动。通常，功率转换将功率从一种形式转换为另一种形式。大多数可再生能源应用至少使用一种形式的电源转换，例如直流交流逆变器。任何功率转换方案的核心都是快速开关功率半导体器件，以最有效的方式实现转换。随着连接设备的数量每天都在增加，更高效的电源转换可以在一定程度上降低为这些数十亿设备供电的总体财务成本。提高整体效率以降低环境成本非常重要。必须限制损耗，这反过来又会限制系统的效率，通常会导致强烈的散热。热管理支持与电子设备和电路中产生的热量的产生控制和消散相关的所有技术解决方案，例如，在极端温度和冷热交替条件下的汽车行业。这方面对于确保高水平的可靠性和安全性至关重要。此外，随着电动汽车和能量存储的出现，可用于多种应用。但贾斯汀和我们在一起。所以让我介绍他，然后我们可以继续讨论主题。嗨，贾斯汀，很高兴认识你，欢迎收看这个播客。非常感谢您来到这里。感谢您有机会参与这一新剧集。今天我想和大家讨论的话题是电源转换及其热管理。不过在详谈之前，我想先问问你能不能介绍一下你自己和你的公司，当然……

贾斯汀科尔贝 28:30

你好，毛里齐奥。我是汉高电源转换和工业自动化市场战略总监 Justin Kolbe，感谢您邀请我今天与您交谈。这是讨论功率转换的一些趋势并真正展示我们在汉高尝试解决的一些主题的绝佳机会，我们开发新材料以真正帮助这个市场向前发展。

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥 28:04

好的，那么，让我们开始吧！保护自然资源、减少排放和提高能源效率的需求已成为一个主要话题，一个主要关注点和电力转换，如您所知，使能源行业等专业部门以及所有与控制技术等服务相关的部门成为可能。那么，当今电源转换面临哪些挑战？从权力的角度来看，世界现在想要什么，我们可以证明的最关键的市场是什么？我知道高功率半导体是我们可以用来控制可再生能源（例如风力涡轮机和光伏电池）的主要组件。最高效的半导体为减少 CO2 或二氧化碳排放做出了重要贡献。你怎么认为？

贾斯汀科尔贝26:44

是的，毛里齐奥，我同意。电源转换确实是一个专门服务于多个关键市场的专业功能，并真正直接有助于这些市场的可持续性。所以我们看到从医疗到能源发电、替代能源领域到一般工业的一切，实际上，在所有市场中，功率转换都是关键。因为有许多关键市场，所以确实存在许多具体挑战，但我觉得它们真的可以被提炼成几个关键趋势。现在，重要的是，显然，更高的效率，高可靠性是其中的一个重要部分，我们也看到了更多的功能。因此，您知道，电源转换部件必须能够做得更多。最后是可持续性，每个人都在努力实现更环保的足迹，因为能够事半功倍。所有这些都真正推动了电力转换的发展。关键是真正做到这一切，同时将对最终客户解决方案的总拥有成本的影响降到最低。客户对所有这些领域的期望都在上升，但最终，除非您可能购买 iPhone，否则总成本不会继续以同样的速度上升。因此，展望未来，增加功率密度是这些趋势的自然组成部分。真的，我想不出有谁想让他们的电子产品更大。同样，在一个数据中心或一个行业，制造的占地面积成本，数据中心的占地面积成本很高。他们不想将这笔资金花在电源转换上。所以，当我们考虑必须解决的所有这些不同方面时，你知道，功率转换实际上是一种受约束的优化。人们正在为其特定应用寻找理想的解决方案。这确实是我们的客户面临的挑战。如果我们考虑效率，很明显，我们看到随着世界人口的增加，对电力工作的需求也在相应增加。因此，我们可以通过多种方式满足这种需求。一是增加发电厂的数量，无论是发电厂、替代能源、核能，所有这些我们都可以通过不同的方式增加产量。但我认为，另一个关键解决方案可能对未来的世界更重要，是提高使用电源和电源转换的设备的效率。然后确保我们以最有效的方式向最终消费者分配和传输电力。因此，这正是功率转换变得重要的地方，在提高效率方面，您可以获得与以更低的环境成本建造新发电厂相同的效果。

其中很大一部分是企业公民。许多大公司看到了这一关键举措，并正在朝着这个方向努力。我们看到的另一件事是越来越关注运营费用和总拥有成本，而不是初始资本成本。显然，这是一种可以实现更高效运营的多年回报的方式。最后，你知道，政府立法越来越关注。因此，政府正在通过大量补贴和其他方式推动更高效的电力转换、更高效的运营。这里的一些例子：提高效率的电机，还增加了驱动器，这可以提高系统效率。工业电机可占全球电力消耗的 35% 至 40%。所以这是一个很容易提高效率的地方。数据中心的电力消耗也可能占全球电力需求的 1% 到 2%。但数据中心是一个有趣的案例研究。因此，今天数据中心的用电量与十年前的 2011 年大致相同。 尽管计算机数量增加了 6 倍，全球 IP 流量增加了 10 倍，并且数据中心存储容量。因此，对我而言，这种保持消耗稳定的能力是由于这些提高的效率，以及我们的客户正在通过创新（例如更好的冷却）以及软件改进来帮助我们使用更有效的解决方案所做的工作这种力量更有效，但这些增长趋势将继续下去，因此提高效率必须成为该解决方案的一部分。

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥 21:17

好的。所以，继续，在这种情况下，开发新的清洁能源，可再生能源对于可持续社会至关重要，为了支持可再生能源经济，能源储存可以在后期捕获和使用能量在其他应用中，实际上是确保碳中和生态系统的关键，许多工厂、许多公司都支持市场基于电池的 UPS 不间断电源适用于数据中心等几个关键任务应用，如您所提到的。那么UPS面临的挑战是什么？但就电池而言，您对化学问题有什么看法？

贾斯汀科尔贝 20:05

是的。不间断电源和储能系统是一个关键市场，并且正在增长。我们认为它变得越来越重要，因为在全球范围内，我们希望提高能源网络的稳健性，并从整体上提高能源输送和使用效率。所以你知道，像微电网或分布式能源采购之类的东西，结合储能系统可以帮助提高鲁棒性，但也可以做一些负载平衡，这样在能源消耗的非高峰时间，我们就可以创造能源并储存它用于那些高峰时间，并帮助平衡负载。这对于实现太阳能和风能等替代能源特别有帮助。这方面的一大挑战是安装通常位于偏远地区，在那里维护或维修既困难又昂贵。为此原因，系统必须在相对恶劣的环境中非常可靠。它们不能关闭，它们被期望连续运行，当它们确实出现故障时，这对人们来说是一个重大的困难。另一个考虑因素是 UPS 和 ESS 每周 7 天、每天 24 小时提供服务。因此，效率变得非常非常重要。这就是我们将这个市场视为宽带隙半导体的最初采用者之一的原因之一。宽带隙目前在硅初始封装成本的 2 到 5 倍之间。但是，如果它被设计成持续运行的东西，您可以通过宽带隙提供的效率提升获得相对较快的一到两年的回报。因此，这显然是该领域的一大优势。我们在 UPS 和储能系统中看到的另一件事是输入功率是可变的。UPS 必须能够快速响应电力和电能质量的变化。人们正在为此寻找更多的模块化解决方案，当然还有更多的功率因数校正。然后因为可靠性是如此关键，你知道，我提到了模块化，但系统中的冗余很重要，这样如果一个或一个模块 UPS 出现故障，该模块的切换和控制可以由其他泡沫管理ups 在系统中。最后，UPS 处理越来越多的电力，就像其他电子设备一样，我提到了数据中心空间的成本，因为必须进行所有冷却。因此，您知道，处理更多功率的更小、更轻的 UPS 绝对是为大数据中心客户提供真正价值的趋势。这样可以节省空间并专用于核心进程。现在，最后，你提到了一点关于电池的化学性质，以及它们如何可持续。

汉高本身并没有真正为电池本身制造材料，但我们正在努力制造帮助这些电池在深循环和快速充电中使用寿命更长的材料，我们希望这对电池的使用寿命产生最小的负面影响电池，以便碳足迹，制造电池的负面部分可以在更长的时间内摊销。我们可以帮助这些电池实现更高的可靠性，在每个能量输出的基础上制造这些电池的环境成本就越小。这就是我们试图解决问题的真正方式。

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥 15:48

那很有意思。因此，在电力电子领域，当然，转换效率一直是讨论的关键话题。而且，我想我们可以在任何数据表上找到的主要参数之一是功率因数校正或 PFC 是从效率的角度实现新目标的重要元素。如果您同意，请告诉我您对此有何看法？为什么 PFC 对效率如此重要？

贾斯汀科尔贝 15:03

正如您所说，功率因数校正对于下一代效率目标至关重要，尤其是在功率水平不断提高的情况下。而且，您知道，应用程序目标是更加可变甚至通用的类型输入。因此，从大局来看，效率是从生产到消费。如果我们以较差的功率因数进行消费，则会给电网带来过大的压力和负载。因此，所需的视在功率增加的电流要求可能会导致总体上的显着电阻损耗，此外，还必须根据所汲取的视在功率而不是实际功率来调整电网大小。而且我们知道，在很多情况下，当电子设备的尺寸不合适时，它们的运行效率就会低下，对吗？如果您希望电机尽可能高效地运行，则必须根据其将要承受的负载调整其大小。因此，功率因数校正有帮助的一种明确方法是减少电网负载和系统中可能损坏设备的任何谐波。但它还有其他几个好处。这不仅是好的做法，而且是合法的。总的来说，我们看到的是功率因数校正级可以非常高效，具有适当的控制架构并以最大限度提高效率的方式构建，可以轻松实现超过 95 点的功率因数，并且效率也高达 90 年代该功率因数级也可以实现。而且，随着我们增加功率因数，我们的其他电源支持部分，例如 AC DC 电源或逆变器，也会更有效地运行。所以，这是关键。

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥 12:46

好的。有趣的。谢谢，让我们继续讨论电动汽车中的效率概念：我们知道半导体在电动汽车的效率方面发挥着重要作用。当然，我们可以考虑电动汽车，但不仅如此……通过这种方式，逆变器将来自汽车电池的能量转换为驱动传动系统本身中的电机。所以，我想知道这个组件的挑战，只是想想电动汽车的未来，以及保证高效率的挑战是什么？

贾斯汀科尔贝 11:52

电动汽车确实是一个具有巨大增长潜力的巨大市场。即使汽车行业现在正面临困境。你知道，电动汽车仍然是一个真正的增长领域，这太棒了。我认为这真的是变革性的。正因为如此，它充满了各种新的问题和挑战。但与此同时，对我来说，这似乎也在降低新汽车公司的进入门槛。我的意思是，在过去的五七年里，出现了更多的新汽车公司，而在之前，你知道，10 到 20 年甚至更长的时间。这也是非常有趣的一点。但在汉高，我们有一个专注于该领域的汽车集团。你提到了逆变器和那里正在进行的一些有趣的工作。但实际上，这不仅仅是逆变器。因此，我们看到的真正大趋势之一是将所有电子设备集成到逆变器系统中。我们看到，你知道，四加一、三加一种逆变器或车载充电器系统到逆变器，带有直流的车载充电器、初始直流、直流转换器和电池管理系统都是同一个电子设备的一部分。部件。所以，这是我们看到的一个大趋势。这是减少尺寸和重量的一种方法，你知道，这是电动汽车里程焦虑等问题的关键。移动性的另一大挑战是这些非常高功率密度的应用。许多电池组的电压为 400 伏及以上。所以，像宽带隙半导体的使用，涉及处理所有功率的冷却系统，这些都是关键部分，而且总线系统的电压并不是特别高，对？我的意思是，其中一项创新是 48 伏总线，它尽可能地高并保持其本质安全。但这仍然是整个系统中传输的大量电流。因此存在需要解决的电阻性损耗。另一个关键是电池系统本身，对吧？好吧，电池充电器对于可靠性和安全性至关重要。您知道，在很多方面，它类似于 UPS 或储能系统。但同时，最大的不同在于，在一块电池上，他们确实希望以非常高的速率对其进行充电和放电。在备用电池系统中，它可以涓流充电，有很多方法可以做到。但是在电动汽车电池中，消费者想要在 20 分钟或 5 分钟内给它充电，如果可以的话，这对电池来说是非常困难的。因此，这些充电操作的冷却或温度控制也是一个关键挑战，人们正在使用集成到充电器中的液体冷却系统或使用汽车冷却系统（当它不运行而是充电时），以帮助缓解电池的任何损坏。诸如增加直流母线电压之类的事情，您可以使用比重较低的材料做的任何事情都很大并且可以提高效率。这就是它真正的意义所在，就增加该范围并确保电动汽车的采用能够继续保持其现有速度而言。然后，你知道，很明显，我们对工业领域感兴趣的主要部分是电动汽车充电基础设施。所以，很多同样的问题，我们有非常高的电压，高功率的电子设备，人们使用宽带隙半导体来解决这个问题。然后，你知道，你如何以安全的方式做到这一点？因为再一次，如果我们谈论的是非常高的电压，那么建立这些连接，以便没有人卷入灾难性事件，这一点至关重要。

Maurizio Di Paolo Emilio 07:24

当我们谈论电源管理时，当然需要谈论热管理。所以，大功率分立器件热管理的意义在于，因为所有的电子器件和电路都会产生热量过剩，因此需要热管理技术来提高可靠性。并且为了防止对电源中的任何电子系统很重要的过早故障，例如在无线充电中，所以这个元素也很重要，同时考虑到包装更小，因为我们想要更小的设备，只是想想什么可穿戴设备当然是方式，宽带隙半导体也是可以帮助我们更好地设计的重要元素。你能告诉我，在热管理方面，你对挑战有什么看法？还考虑到新的电源转换需要更小的封装。

贾斯汀科尔贝 06:05

热管理在整个电子领域发挥着关键作用。因此，对于设计电力电子设备的团队来说，这确实是一个多因素问题，因为它会影响从外形到外形到效率、可靠性到成本的方方面面，这确实是这些系统整体难题的重要组成部分。我们的设计师越能将它的一部分推到设计的前端，我认为他们在真正优化系统方面取得的成功就越大。热问题一直是功率密度问题之一。因此，当您想要在相同或更小的空间内进行更多计算、更多通信时，热管理变得至关重要。对于宽带隙半导体，热量对半导体结的破坏性影响逐渐减弱。但我们看到的一件事是，其余的封装技术没有跟上半导体结的步伐，因此使用宽带隙半导体的分立元件的热管理仍然非常重要。但是故障模式从结转移到互连，以及灌封和所有那些进入组件的东西。我们在宽带隙半导体中看到的关键之一是更高的功率和更小的设备。使用宽带隙半导体我们可能会获得几个百分点的效率增益，但从热的角度来看，这可以通过减少半导体的占用空间来抵消。因此，也许我们在这些类型的应用中看到的是更高价值的热界面材料）高达每米开尔文 6 或 8 瓦特。但是正在使用的材料数量较少。另一个持续的趋势是人们从非隔离通孔元件转向更隔离的表面贴装元件，其中散热器不是电气路径的一部分。所以，在那个区域，你可以得到非常高的功率密度，在很多情况下，你可以从表面贴装设备的顶部和底部带走热量。出于这个原因，我们看到了从作为热解决方案一部分的固体绝缘系统到液体界面材料的巨大潜在增长。我们看到的另一个关键趋势是为我们的客户提供最大的价值。我们不想只是一家散热解决方案供应商。因此，重要的是热量只是这些材料的一部分。在许多情况下，制作八瓦特开尔文材料很容易，但为了使其易于加工、保质期长、对客户的总体拥有成本影响较低，这变得更加困难，这是我们真正关注的另一部分想要有多个价值轴，所以在很多情况下，我们希望热界面材料做其他事情，也许是粘性的，这样电子组件中的螺丝和夹子可以减少或移除。也许 EMI 屏蔽或其他有价值的资产可以与您将获得的热材料一起提供，真正帮助我们的设计师成功应对未来十年的挑战。它的另一部分是希望具有多个值轴，因此在许多情况下，我们希望热界面材料做其他事情，可能是粘性的，因此可以减少或移除电子组件中的螺钉和夹子。也许 EMI 屏蔽或其他有价值的资产可以与您将获得的热材料一起提供，真正帮助我们的设计师成功应对未来十年的挑战。它的另一部分是希望具有多个值轴，因此在许多情况下，我们希望热界面材料做其他事情，可能是粘性的，因此可以减少或移除电子组件中的螺钉和夹子。也许 EMI 屏蔽或其他有价值的资产可以与您将获得的热材料一起提供，真正帮助我们的设计师成功应对未来十年的挑战。

Maurizio Di Paolo Emilio 01:54

非常感谢你，贾斯汀，感谢你参加这个播客。谢谢你的时间。

贾斯汀科尔贝 01:46

非常好。谢谢，我真的很感激这个机会。

Maurizio Di Paolo Emilio 01:40

再次感谢贾斯汀。多亏了汉高，功率转换确实是一项服务于许多关键市场的特殊功能。正如贾斯汀告诉我们的那样，数据中心是一个有趣的案例研究，数据中心今天使用的电量与十年前的 2011 年大致相同。功率因数校正阶段可以非常高效，具有适当的控制架构和建立一种最大化效率的方法。随着消费者和公司越来越意识到运营成本和浪费能源对环境的影响，良好的 PFC 是一项关键的采购要求。电动汽车仍然是一个真正的增长领域，其中涉及热管理系统的高功率密度是一个很大的话题。如果你想做更多的竞争、更多的交流、更小的空间，就像贾斯汀告诉我们的那样，热管理变得至关重要。显然，对于宽带隙半导体，热量对半导体结的破坏作用逐渐减弱。但正如贾斯汀告诉我们的那样，我们看到的一件事是，其余的封装技术没有跟上半导体结的步伐。另一个持续的趋势是人们正在从非隔离通孔组件转向更隔离的表面贴装组件，其中散热器不是电气焊盘的一部分。谢谢大家。下集见。敬请关注。另一个持续的趋势是人们正在从非隔离通孔组件转向更隔离的表面贴装组件，其中散热器不是电气焊盘的一部分。谢谢大家。下集见。敬请关注。另一个持续的趋势是人们正在从非隔离通孔组件转向更隔离的表面贴装组件，其中散热器不是电气焊盘的一部分。谢谢大家。下集见。敬请关注。

审核编辑 黄昊宇