La densidad de potencia está estrechamente relacionada con el tamaño y la eficiencia. Cuanto más sepa un ingeniero sobre la densidad de potencia, cómo se estima, sus limitaciones y cómo se pueden superar esas limitaciones, mejor preparado estará para aprovechar lo último en tecnología de alta densidad de potencia para satisfacer las intensas demandas de la energía moderna. sistemas de gestión.

Por qué es importante la densidad de potencia

En el contexto de la administración de energía, la densidad de energía sirve como una medida de cuánta energía se puede procesar en un espacio o área determinados. Sin embargo, hay más que. La densidad de energía permite que se procese más energía en un espacio más pequeño al tiempo que mejora la funcionalidad de un sistema a costos reducidos, no aumentados. Además, la densidad de potencia y la eficiencia están estrechamente relacionadas en las aplicaciones de suministro de energía, y la eficiencia sigue siendo una fuerza impulsora en la ingeniería moderna. De hecho, para algunos, lograr mayores densidades de energía se ha convertido en el máximo logro al diseñar sistemas de energía.
Los detalles para calcular la densidad de potencia correctamente pueden ser bastante detallados, pero el concepto básico detrás de la estimación de la densidad de potencia es bastante sencillo. La mayoría de las mediciones de densidad de potencia se basan en volumen o área. Para el volumen, la densidad de potencia sería la potencia de salida procesada (Vo x Io) dividida por el área formada por el área rectangular de la placa (W) multiplicada por la altura del componente más alto de esa placa (x H). La densidad de potencia en términos de área sería simplemente la potencia procesada (Vo x Io) por el área rectangular de la placa (L x W). La densidad de potencia se cuantifica como la cantidad de potencia procesada por unidad de volumen o unidad de área. Las unidades más típicas son Watts por metro cúbico (W / m3), Watts por pulgada cúbica (W / in3), Watts por metro cuadrado (W / m2) o Watts por pulgada cuadrada (W / in2).

Limitaciones y compensaciones en soluciones de alta densidad de energía

Existen limitaciones y compensaciones en las soluciones de alta densidad de potencia. Para comprender cómo se puede progresar en el logro de densidades de potencia cada vez mayores, es fundamental estar al tanto de estos problemas. Existen factores limitantes muy específicos para la cantidad de densidad de potencia que se puede mejorar de manera realista, incluidos algunos de la siguiente lista:
Pérdidas de conducción
Pérdidas de encendido y apagado
Pérdidas por recuperación inversa
Cargar pérdidas relacionadas
Problemas térmicos
Con la excepción de los problemas térmicos, estos factores están relacionados con las pérdidas de potencia del convertidor.

Claves para lograr una alta densidad de potencia

Con una idea general de lo que limita la densidad de potencia, el enfoque de un diseñador puede cambiar a cómo se puede lograr una alta densidad de potencia a pesar de esas limitaciones. Las soluciones modernas de administración de energía que logran una alta densidad de energía tienen estos aspectos fundamentales en común:
Un elemento de conmutación que logra bajas pérdidas de conducción y bajas pérdidas de conmutación
Una topología de convertidor optimizada que opera a altas frecuencias de conmutación combinada con un método de control apropiado
Integración más pasiva de los métodos de control y potencia, que a menudo se logran de forma monolítica o mediante tecnología de módulo multichip que integra múltiples matrices de semiconductores, lo que reduce la huella
Excelente rendimiento térmico que minimiza el gradiente de temperatura entre la temperatura del silicio y las superficies de enfriamiento externas.

Ejemplos de innovaciones de densidad de alta potencia de TI

TI ha desarrollado tecnologías e innovaciones clave que implementan los aspectos clave del diseño que pueden superar las limitaciones de una mayor densidad de potencia. Estas tecnologías tienen las siguientes cuatro características:
Se genera menos calor debido al excelente rendimiento de conmutación del dispositivo gracias a las tecnologías avanzadas de silicio y nitruro de galio
Se logra una mayor eficiencia mediante el uso de componentes pasivos más pequeños, topologías de convertidor multinivel y controladores de puerta de etapa de potencia avanzados
La huella del sistema se reduce ahorrando espacio en la placa, simplificando el diseño de la placa y logrando niveles bajos de parásitos; todo esto es posible gracias al uso de tecnologías avanzadas de módulos multichip
El rendimiento térmico se mejora al eliminar el calor del paquete con tecnologías de enfriamiento avanzadas como el empaquetado QFN HotRod ™ mejorado, el empaquetado a escala de chip de obleas de energía y el enfriamiento del lado superior
Por ejemplo, el TI TPSM53604 es un módulo de potencia reductor de 36 V, 4 A con un volumen de solo 5,5 x 5 x 4 mm.

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<strong>Figura 1. </strong>El TPSM53604.</p>
<p>Con este dispositivo, los ingenieros pueden reducir el tamaño del diseño de su fuente de alimentación en un 30% y reducir la pérdida de energía en un 50% en aplicaciones industriales resistentes. Este módulo de potencia de inductor integrado tiene un HotRod ™ QFN mejorado (paquetes cuádruples planos sin cables) con un tamaño simple.<br />
El HotRod ™ QFN mejorado proporciona varios beneficios clave, pero sus capacidades mejoradas de disipación térmica son de gran interés en el contexto de la densidad de potencia.</p>
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<strong>Figura 2. </strong>Ejemplo de módulo de potencia en el paquete Enhanced HotRod QFN</p>
<p>Al combinar un paquete QFN estándar con un DAP térmico (almohadillas de sujeción de troquel), el módulo reductor TPSM53604 puede superar los límites de densidad de potencia relacionados con el rendimiento térmico, con una potencia de salida de hasta 20 W a 85 ° C sin flujo de aire. También es el módulo de 36 V y 4 A más pequeño de la industria, un logro posible gracias al uso del HotRod QFN ™ mejorado para disipar el calor de manera más eficaz.<br />
Otro ejemplo del enfoque innovador de TI para superar las limitaciones relacionadas con la densidad de potencia sería el TI UCC12050, una fuente de polarización CC / CC aislada que integra un transformador y un controlador CC / CC con la arquitectura patentada de TI para proporcionar 500 mW (típico) de potencia aislada con alta eficiencia y baja EMI. Esta es una solución miniaturizada con un perfil bajo que se ofrece en un paquete SOIC de cuerpo ancho con una altura de 2.65 mm.</p>
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Figura 3. El UCC12050.

El UCC12050 permite a los ingenieros reducir sus soluciones de energía hasta en un 80% y maximizar la eficiencia en aplicaciones industriales que requieren aislamiento.

La creciente importancia de la densidad de potencia

Desde cargadores de baterías de vehículos eléctricos a bordo hasta fuentes de alimentación para la tecnología IoT (Internet de las cosas) en un hogar, la densidad de potencia es clave. Y debido a que la densidad de potencia está estrechamente relacionada con la eficiencia y el tamaño, su importancia sigue aumentando. Existen limitaciones para lograr una alta densidad de potencia, pero TI ha desarrollado con éxito enfoques y tecnología innovadores para superar esas limitaciones. Los artículos de la industria son una forma de contenido que permite a los socios de la industria compartir noticias, mensajes y tecnología útiles con los lectores de All About Circuits de una manera que el contenido editorial no es adecuado. Todos los artículos de la industria están sujetos a estrictas pautas editoriales con la intención de ofrecer a los lectores noticias útiles, experiencia técnica o historias. Los puntos de vista y opiniones expresados ​​en los artículos de la industria son los del socio y no necesariamente los de All About Circuits o sus redactores.

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