в чем измеряется удельная мощность
Удельная мощность: что нам необходимо знать?
Удельная мощность — тема, с которой, вероятно, знакомо большинство инженеров, но часто они даже не задумываются об этом. Или, возможно, вы думаете, что это не коснётся вас. Данная статья представляет собой общее введение по данной теме, которая, кажется, становится все более серьезной проблемой при разработке электронных продуктов.
Определение удельной мощности
Удельная мощность (иногда называют плотность мощности) — это термин, который более или менее определяет себя. Для более формального определения рассмотрим следующее: удельная мощность — это мера величины выходной мощности схемы или устройства, деленной на объем этого устройства или продукта. Значение удельной мощности должно соответствовать непрерывному максимальному значению, которое цепь может обеспечить при наихудших условиях эксплуатации.
Если вы представите прямоугольный корпус, как показано на рисунке ниже, объем будет произведением высоты, ширины и глубины источника питания. Следовательно, удельная мощность (УМ) будет равна:
Удельная мощность обычно связана с источниками питания, силовыми ИС или любой схемой, генерирующей электроэнергию. В этой статье мы будем использовать эталонный источник питания для расчета частичных разрядов.
Единицей измерения частичных разрядов является ватт на кубический метр (Вт / м 3 ) или ватт на кубический дюйм (Вт / дюйм 3 ). Другая связанная мера — плотность тока или амперы на кубический миллиметр или кубический дюйм (А / мм 3 или А / дюйм 3 ).
Почему удельная мощность?
Удельная мощность важна из-за следующих факторов:
Достижение по «упаковке энергии»
Один из простых способов увеличить удельную мощность — уменьшить размеры компонентов. Выбирайте конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и радиаторы наименьшего размера, требуемые конструкцией. Однако у этого метода есть ограничение, потому что размер является основным фактором в фактической стоимости компонента.
Такой подход можно использовать и дальше, если вы можете увеличить частоту переключения. Импульсные регуляторы,DC-DC преобразователи и другие импульсные схемы не требуют такой большой фильтрации или накопления энергии на более высоких частотах для достижения того же результата. А при более высоких частотах возможно значительное уменьшение размеров конденсаторов и катушек индуктивности.
Ранние SMPS работали на частоте менее 100 кГц. Новые разработки перешли на диапазон 100 кГц и выше. Сегодня большинство схем переключения работают на частотах в диапазоне от 1 до 4 МГц.
Хотя значительное уменьшение размера происходит на более высоких частотах, есть предел для дальнейшего уменьшения размеров продуктов электроники. Это связано с тем, что продолжающееся увеличение частоты коммутации увеличивает потери при переключении. Данные потери в основном связаны с активным сопротивлением коммутирующего транзистора или сопротивлением сток-исток (RDS (вкл)).
Снижение сопротивления сток-исток обычно увеличивает заряд затвора и паразитные емкости. Зарядка и разрядка паразитных емкостей затворов и стоков транзистора требует некоторой энергии, которая увеличивает общие потери.
Еще одним фактором, ограничивающим увеличение плотности мощности, являются потери при обратном восстановлении в основном диоде полевых МОП-транзисторов. Паразитные индуктивности также вызывают коммутационные потери. Уменьшение частоты переключения помогает минимизировать все эти потери. Однако компромисс заключается в балансировании потерь с меньшими размерами компонентов, что делает частоту переключения критическим фактором конструкции. Выбор силового MOSFET транзистора для конструкции SMPS имеет решающее значение, поскольку различные характеристики, такие как сток-исток RDS (включено), паразитные емкости, площадь кристалла и частота коммутации, тесно связаны друг с другом.
На плотность мощности также влияют тепловые характеристики транзисторов, которые являются функцией увеличенных коммутационных потерь. Избавление от тепла — основная проблема в конструкции SMPS — определяется в первую очередь компоновкой транзисторов или интегральных микросхем (ИС).
Увеличение частоты переключения привело к значительному уменьшению размеров транзисторов и ИС, что существенно повлияло на конструкцию корпуса. Чем меньше размер корпуса, тем труднее отводить тепло устройству. Как правило, уменьшение коммутационных потерь улучшает тепловые характеристики. Инновационная конструкция корпуса может улучшить рассеивание тепла и обеспечить более высокую удельную мощность.
GaN транзисторы
Один из надежных способов достичь желаемого уровня плотности мощности — использовать улучшенные транзисторы или ИС. Те, которые сделаны из нитрида галлия (GaN), особенно хорошо работают в режиме импульсного источника питания. Эти устройства могут работать на гораздо более высоких частотах с незначительным снижением эффективности или без него. Потери в GaN-устройствах намного меньше, чем у кремниевых или даже SiC-устройств, что позволяет им работать на гораздо более высоких частотах.
Сочетание устройств на основе GaN с инновационным корпусом существенно увеличит удельную мощность. Одним из таких примеров является корпус HotRod QFN от Texas Instruments. Он снижает паразитные индуктивности, связанные с более традиционными корпусами. Дополнительным ключом к лучшему снижению нагрева являются выступы на некоторых корпусах на целой пластине (WCSP) — они передают большую часть тепла печатной плате (PCB) для более быстрого его отвода и распространения в пространстве.
Дополнительный выигрыш в плотности мощности является результатом инновационных разработок, таких как улучшенные драйверы затвора и новые топологии преобразователей. Один из самых больших преимуществ — это увеличенная интеграция схем. Размещение большего количества компонентов и схем в небольшом корпусе значительно увеличивает удельную мощность.
Одним из таких примеров является интеграция схемы драйвера затвора в корпус GaN FET. При разработке многокристальных модулей с двумя или более кристаллами в корпусе удельная мощность будет расти. Включение пассивных компонентов в корпус ИС — еще один метод интеграции, который создает меньше паразитных помех и снижает электромагнитные помехи. Наконец, трехмерное наложение компонентов также дает желаемый выигрыш. Хотя уменьшение занимаемой площади блока питания или печатной платы преобразователя полезно, не забывайте учитывать доступное вертикальное пространство.
В заключение, улучшения плотности мощности могут быть достигнуты за счет сбалансированного сочетания методов, которые включают снижение коммутационных потерь, улучшение тепловых характеристик за счет лучшей «упаковки деталей в корпус» и увеличение степени интеграции. Помня о концепции плотности мощности при проектировании следующего блока питания или схемы питания, вы автоматически добьетесь повышения эффективности, охлаждения и меньшего размера.
Часто задаваемые вопросы об удельной мощности: вернемся к основам
Чем отличается удельная мощность от удельной энергоемкости и почему удельная мощность является ключевым параметром при разработке источников питания?
Чтобы создать надежный источник питания, необходимо понимать ключевые моменты и специфические факторы, определяющие его удельные характеристики.
Является ли удельная мощность эквивалентом удельной энергоемкости?
Удельная мощность и удельная энергоемкость являются совершенно разными параметрами.
Удельная энергоемкость (Вт∙ч/кг) определяется как количество энергии, которую можно сохранить в одной базовой единице измерения массы (кг), площади (м 2 ) или объема (л), а удельная мощность (Вт/кг) показывает, какое количество энергии может пройти через такую же базовую единицу (массы, площади, объема) за единицу времени (с). Когда говорят, что система является энергоемкой, то подразумевают, что она может сохранить значительное количество энергии и при этом имеет небольшую массу, площадь или объем.
Например, удельная энергоемкость аккумулятора показывает количество энергии, которое можно сохранить в одной единице его массы, а удельная мощность – максимальную скорость потребления или отдачи энергии, которую при той же массе можно достичь в процессе заряда или разряда.
Аккумуляторы обычно имеют высокую удельную энергоемкость и низкую удельную мощность, а конденсаторы наоборот – чаще всего имеют высокую удельную мощность и низкую удельную энергоемкость. Из-за этого конденсаторы способны обеспечить очень большие, но кратковременные, разрядные токи, в то время как аккумуляторы больше подходят для приложений, длительно потребляющих небольшой ток.
Почему удельная мощность является ключевым параметром?
Удельная мощность является ключевым параметром источников питания, особенно для приложений с ограниченными размерами. Примером таких приложений являются центры обработки данных, в которых информационное оборудование заполняет все доступное пространство. Поскольку количество обрабатываемой информации постоянно увеличивается, что приводит к неизбежному увеличению энергопотребления, то для источников питания с низкой удельной мощностью, не способных пропустить через выделенный объем требуемое количество энергии, в подобных приложениях может просто не оказаться места.
Еще одной областью, где удельная мощность играет ключевую роль, является альтернативная энергетика, которая с каждым годом становится все более необходимой для жителей Земли. В этом случае удельная мощность показывает, какое количество энергии можно получить с одного квадратного метра в течение некоторого времени (Вт/м 2 ).
Как увеличить удельную мощность?
Чаще всего увеличение удельной мощности приводит к уменьшению размеров системы (см. Рисунок 1).
 | |
| Рисунок 1. | Комбинация контроллера и силовых транзисторов в одном силовом модуле позволяет уменьшить размеры печатной платы до 60%. |
Значительный вклад в увеличение удельной мощности питающих устройств вносит Ассоциация производителей блоков питания (Power Supply Manufacturers Association, PSMA), работающая над созданием объемных силовых модулей с размерами, позволяющими установить их на печатной плате. Эта группа производителей оказывает также помощь в разработке контроллеров электродвигателей с улучшенным температурным контролем, имеющих повышенные значения удельной мощности и плотности выходного тока.
PSMA занимается крупносерийным производством готовых встраиваемых модулей. Подобный подход, совместно с использованием высокоинтегрированных силовых компонентов, позволяет значительно увеличить КПД и уменьшить размеры источников питания. Однако при использовании встраиваемых узлов с высокой удельной мощностью необходимо учитывать и преодолевать «тепловой барьер», появляющийся из-за того, что тепло, образующееся внутри объемного модуля, сложнее отвести от силовых элементов, чем в случае обычной плоской компоновки.
Как образом технология GaN-на-SiC может увеличить удельную мощность?
Теплопроводность карбида кремния (SiC) в три раза больше, чем у кремния (Si), поэтому нитрид-галлиевые (GaN) полупроводниковые приборы на подложках из карбида кремния (GaN-на-SiC) способны работать при более высоких напряжениях и рассеивать большую мощность, по сравнению с нитрид-галлиевыми аналогами, созданными на подложках их чистого кремния (GaN-на-Si). Эта особенность является ключевой для телекоммуникационного оборудования и устройств с беспроводными интерфейсами, требующих эффективного отвода тепла.
Создать устройства с высокой удельной мощностью на основе кремниевых полупроводниковых приборов принципиально невозможно. Однако теперь разработчикам доступны компактные нитрид-галлиевые транзисторы с малым уровнем потерь, поэтому замена кремниевых приборов на нитрид-галлиевые позволяет одновременно и уменьшить количество выделяемого тепла, и, за счет хорошей теплопроводности карбида кремния, облегчить температурные режимы мощных компонентов.
Влияют ли геометрические размеры источника питания на величину его удельной мощности?
Прежде всего, необходимо обратить внимание на то, что увеличение КПД источника питания обычно всегда приводит к уменьшению его геометрических размеров, ведь удельная мощность, фактически, равна отношению выходной мощности устройства к объему «коробки», занимаемой его компонентами (длина × ширина × высота). При проектировании любого источника питания разработчики, в первую очередь, стараются уменьшить размеры пассивных силовых компонентов, принципиально необходимых для его работы: конденсаторов, дросселей и трансформаторов.
Использование приборов, изготовленных из полупроводников с широкой запрещенной зоной (Wide-Bandgap, WBG), в том числе и транзисторов, изготовленных по технологиям GaN-на-SiC, позволяет повысить рабочую частоту преобразования современных источников питания и, тем самым, уменьшить размеры пассивных компонентов. Однако увеличение частоты переключений приводит к увеличению динамических потерь, что, в свою очередь, приводит к увеличению температуры полупроводниковых приборов. На практике эти проблемы решаются как с помощью инновационных систем охлаждения, так и с помощью специализированных схем управления силовыми транзисторами.
Кроме того, члены PSMA разработали несколько оригинальных методов интеграции на основе объемной компоновки, использование которых позволяет сократить объем «коробки», занимаемой источником питания.
Объемный монтаж
Размеры печатной платы ограничены во многих приложениях, поэтому специалисты PSMA пошли по пути вертикального размещения элементов источников питания (3D-stacking). В этом случае контроллер, активные и пассивные компоненты, в том числе и индуктивные, располагаются друг над другом в виде сложной многослойной конструкции.
При использовании объемного монтажа силовые элементы устанавливаются на нескольких печатных платах, причем некоторые компоненты даже могут устанавливаться в плоскости платы в специальных отверстиях. Взаимное расположение печатных плат внутри литого корпуса также тщательно продумывается и оптимизируется. В конечном итоге, использование объемного монтажа позволяет увеличить удельную мощность готового модуля и значительно уменьшить общую длину соединений между компонентами.
Кроме того, в новых разработках активно используются и другие передовые технологии, в числе которых и методы, позволяющие уменьшить размеры печатных плат до такой степени, когда можно полностью отказаться от их применения, что также позволяет дополнительно увеличить объемную удельную мощность (Вт/см 3 ).
В каких системах требуется высокая удельная мощность?
Дроны
Тяговые системы большинства дронов создаются на основе электродвигателей, преимуществами которых являются высокий КПД, малые уровни шума и тепловыделения, а также высокая точность управления. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют более высокую удельную мощность, а химическое топливо более высокую энергоемкость, отсутствие у ДВС перечисленных особенностей не позволяет их использовать в подобной технике.
Источником энергии для электродвигателей дронов могут служить топливные элементы и аккумуляторы. Если силовая установка дрона питается только от топливных элементов, то их маневренность может быть ограничена. Из-за этого топливные элементы обычно используются совместно с аккумуляторами, имеющими более высокую удельную мощность и меньшее время отклика. Такое решение позволяет повысить уровень максимальной мощности энергетической установки и обеспечить быстрый взлет и набор высоты.
Вместо аккумуляторов могут использоваться также и суперконденсаторы, обладающие еще более высокой удельной мощностью. Кроме того, суперконденсаторы имеют высокую скорость заряда/разряда и устойчивы к перезаряду, что позволяет значительно уменьшить колебания напряжения на питающей шине. Таким образом, суперконденсаторы могут дополнительно усилить гибридную энергетическую систему дрона, увеличив ее удельную мощность и уменьшив время отклика.
Центры обработки данных
Центры обработки данных испытывают растущую потребность в более высокой удельной мощности и повышении уровня резервирования.
Особенностью потребления энергии информационным оборудованием является резкое колебание уровня энергопотребления, что потребовало пересмотра подходов к построению систем электропитания, разработанных 40 лет назад, в том числе, и требований к величине удельной мощности. На сегодняшний день энергопотребление ИТ-стоек продолжает увеличиваться в геометрической прогрессии, поэтому чем выше удельная мощность конкретного оборудования, тем более качественно оно может удовлетворить потребности конечных пользователей.
Таким образом, использование ИТ-оборудования с традиционной удельной мощностью 40…80 Вт/фут 2 (430…861 Вт/м 2 ) в самом ближайшем будущем уже не сможет удовлетворить потребности клиентов.
Радиосвязь
Мощность радиоволны, создаваемой передатчиком, также можно выразить через удельную мощность, показывающую какое количество энергии проходит через единицу площади пространства (Вт/м 2 ). При использовании изотропных антенн радиоволны излучаются во всех направлениях, поэтому удельную мощность радиосигнала на расстоянии R от антенны можно определить как мощность передатчика, деленную на площадь поверхности сферы с данным радиусом (4πR 2 ).
Поскольку площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату ее радиуса, то и удельная мощность радиоволны (Вт/м 2 ) будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.
Заключение
Удельная мощность является важной характеристикой источника питания, и без четкого понимания и учета факторов, влияющих на ее величину, будет очень сложно создать надежное и эффективное оборудование. Конечно, на итоговую конструкцию того или иного устройства будут влиять и другие параметры, в первую очередь, функциональное назначение и температура окружающей среды. Однако понимание факторов, влияющих на удельную мощность, позволит создавать системы с высоким КПД и длительным сроком эксплуатации, характеристики которых будут оставаться на высоком уровне в течение многих лет.
Перевод: Александр Русу по заказу РадиоЛоцман
Удельная мощность
Смотреть что такое «Удельная мощность» в других словарях:
Удельная мощность — Удельная мощность отношение потребляемой устройством мощности к его массе (или объёму). Удельная мощность автомобиля Применительно к автомобилям удельной мощностью называют максимальную мощность мотора, отнесённую ко всей массе автомобиля.… … Википедия
удельная мощность — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN specific capacitypower densityspecific outputspecific powerunit… … Справочник технического переводчика
удельная мощность — 3.21 удельная мощность (power density): Значение выходной мощности, Вт/м для кабелей и кабельных блоков электронагревателя и Вт/м2 для прокладок, нагревательных панелей и блоков из прокладок и нагревательных панелей. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Удельная мощность ПА — 2.34. Удельная мощность ПА отношение номинальной мощности двигателя к полной массе автомобиля. Источник: НПБ 307 2002: Автомобили пожарные. Номенклатура показателей 2.42 удельная мощность ПА : Отношение номинальной мощности двигателя к полной… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
удельная мощность — savitoji galia statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įrenginio galios ir jo masės (tūrio ar kitokio parametro) dalmuo. atitikmenys: angl. specific power vok. spezifische Leistung, f rus. удельная мощность, f pranc. puissance … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
удельная мощность — galios tankis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. power density vok. Leistungsdichte, f rus. плотность мощности, f; удельная мощность, f pranc. densité de puissance, f; puissance volumique, f … Fizikos terminų žodynas
удельная мощность — savitoji galia statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. specific power vok. spezifische Leistung, f rus. удельная мощность, f pranc. puissance massique, f; puissance spécifique, f … Fizikos terminų žodynas
удельная мощность — savitoji galia statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reaktoriaus aktyviosios zonos galios ir tūrio dalmuo. atitikmenys: angl. power density vok. spezifische Leistung, f rus. удельная мощность, f pranc. densité de puissance, f; puissance… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
удельная мощность K — 168 удельная мощность KN Отношение установленной мощности Nуст к произведению рабочей высоты подъема Hр (или рабочей глубины опускания hр) и номинальной грузоподъемности Qном Источник: ГОСТ Р 52064 2003 … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
удельная мощность — [specific power] обобщенный параметр электропечной установки, представляющий отношение номинальной мощности к емкости электрической печи периодического действия. Удельную мощность измеряют в кВ • А/т или MB • А/т. Величина удельной мощности… … Энциклопедический словарь по металлургии
УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ
Найдено 1 изображение:
3.21 удельная мощность (power density): Значение выходной мощности, Вт/м для кабелей и кабельных блоков электронагревателя и Вт/м 2 для прокладок, нагревательных панелей и блоков из прокладок и нагревательных панелей.
Смотри также родственные термины:
Отношение установленной мощности Nуст к произведению рабочей высоты подъема Hр (или рабочей глубины опускания hр) и номинальной грузоподъемности Qном
9. Удельная мощность автомобиля
Номинальная мощность двигателя, отнесенная к полной массе автомобиля
3.1.8 удельная мощность взрыва: Выделение энергии в единицу времени на единицу объема взрывоопасной системы.
118. Удельная мощность компрессора (компрессорной установки, станции)
Отношение мощности на валу приводного двигателя к объемной производительности компрессора, приведенной к начальным условиям состояния газа
3.6 удельная мощность на единицу массы: Максимальная мощность двигателя, приведенная к единице полной массы транспортного средства в кВт/т.
2.42 удельная мощность ПА : Отношение номинальной мощности двигателя к полной массе автомобиля.
2.43 дальность струи при подаче лафетным водяным (пенным) стволом ПА: Расстояние от насадка до крайних капель водяной (пенной) струи.
3.1. Удельная мощность электрооборудования, В А/дм 3 (мощность/объем измерения)
УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ
Смотреть что такое «УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ» в других словарях:
Удельная мощность — Удельная мощность отношение потребляемой устройством мощности к его массе (или объёму). Удельная мощность автомобиля Применительно к автомобилям удельной мощностью называют максимальную мощность мотора, отнесённую ко всей массе автомобиля.… … Википедия
удельная мощность — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN specific capacitypower densityspecific outputspecific powerunit… … Справочник технического переводчика
удельная мощность — 3.21 удельная мощность (power density): Значение выходной мощности, Вт/м для кабелей и кабельных блоков электронагревателя и Вт/м2 для прокладок, нагревательных панелей и блоков из прокладок и нагревательных панелей. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Удельная мощность ПА — 2.34. Удельная мощность ПА отношение номинальной мощности двигателя к полной массе автомобиля. Источник: НПБ 307 2002: Автомобили пожарные. Номенклатура показателей 2.42 удельная мощность ПА : Отношение номинальной мощности двигателя к полной… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
удельная мощность — savitoji galia statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įrenginio galios ir jo masės (tūrio ar kitokio parametro) dalmuo. atitikmenys: angl. specific power vok. spezifische Leistung, f rus. удельная мощность, f pranc. puissance … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
удельная мощность — galios tankis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. power density vok. Leistungsdichte, f rus. плотность мощности, f; удельная мощность, f pranc. densité de puissance, f; puissance volumique, f … Fizikos terminų žodynas
удельная мощность — savitoji galia statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. specific power vok. spezifische Leistung, f rus. удельная мощность, f pranc. puissance massique, f; puissance spécifique, f … Fizikos terminų žodynas
удельная мощность — savitoji galia statusas T sritis Energetika apibrėžtis Reaktoriaus aktyviosios zonos galios ir tūrio dalmuo. atitikmenys: angl. power density vok. spezifische Leistung, f rus. удельная мощность, f pranc. densité de puissance, f; puissance… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
удельная мощность K — 168 удельная мощность KN Отношение установленной мощности Nуст к произведению рабочей высоты подъема Hр (или рабочей глубины опускания hр) и номинальной грузоподъемности Qном Источник: ГОСТ Р 52064 2003 … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
удельная мощность — [specific power] обобщенный параметр электропечной установки, представляющий отношение номинальной мощности к емкости электрической печи периодического действия. Удельную мощность измеряют в кВ • А/т или MB • А/т. Величина удельной мощности… … Энциклопедический словарь по металлургии
Удельная мощность — отношение мощности двигателя к его массе или др. параметру. Мощность поршневого двигателя, отнесённая к литражу двигателя (См. Литраж двигателя), называется литровой мощностью; отнесённая к суммарной площади его поршней поршневой… … Большая советская энциклопедия