国防电力转换适应密度和效率挑战

电源是任何电子系统的重要组成部分。只有在极少数情况下，电子应用才能在不使用电源转换技术的情况下运行。转换器提供并调节电能，以确保电子电路能够准确捕获和处理传感器数据，并可靠地执行计算。尽管电源至关重要，但人们始终致力于缩小这些模块的尺寸并提高可靠性，尤其是在航空航天和国防领域，随着新的战场需求的出现，这些领域对电子产品的需求正在迅速增长。

电源转换子系统不仅支持单电压输入的多种电路拓扑结构，而且通常充当抵御短期断电和电压波动的第一道防线。满足这两项要求的关键在于开关转换拓扑结构。使用开关电源 (SMPS) 的一个关键优势在于，无论输入是交流还是直流，它都能调节目标电路的电源电压。同样，基于有源开关的升压拓扑结构可以产生高于直流输入的电压输出。较旧的线性转换技术效率较低。而且，只有在使用变压器的情况下，它们才能产生高于输入的电压，这使得这种能力仅限于交流输入的系统。

凭借其众多优势，开关模式转换器迅速成为除模拟前端等低功耗电路中使用的线性稳压器之外最常见的电源转换形式。早期采用双极晶体管和二极管：它们的效率在40%到60%之间。随着MOSFET晶体管的商业化，它们结合日益复杂的模拟和逻辑控制，实现了更高的效率设计。MOSFET革命同时推动了电源转换器尺寸的缩小，这在航空航天和国防领域已被证明具有不可估量的价值。例如，20年前设计的四分之一砖转换器(例如GAIA的MGDM150)可以提供150W的功率。如今，MGDM500系列采用半砖尺寸，可提供500W的功率。

其他技术进步扩展了 DC/DC 转换器的能力，使其能够满足国防相关系统的需求。如今，许多此前电气控制有限的国防装备都采用了复杂的电子系统，例如智能弹药和车辆制导系统。小型化使得自主无人机等新型设备成为可能。这些系统需要体积更小、功率密度更高的 DC/DC 转换器，以支持先进的现场可编程门阵列 (FPGA) 和多核微处理器。它们还需要能够应对各种环境条件，如果不加以防范，这些环境条件可能会损坏电子控制装置。这些要求促使电源转换器设计取得一系列进一步的进步。

GAIA 率先开发出能够高效支持宽输入范围的 DC/DC 转换器，该转换器无需单独的瞬态限制器即可承受并保护大输入浪涌。这些特性组合有助于减小电源转换器的尺寸，同时在大部分输入范围内保持较高的整体效率。例如，十多年前推出的 MGDD 系列，它支持前所未有的 12 至 160VDC 输入范围，并提供全面的浪涌保护。该设计可耐受 MIL-STD-704 要求的 50V 浪涌、MIL-STD-1275 要求的 100V 浪涌以及 DO160 要求的 80V 浪涌。

此外，该设计与许多工业DC/DC转换器不同。这些转换器通常仅在输入范围的某一部分进行调整以实现高效率。MGDD系列的效率在12至110V范围内保持稳定。它支持更高的电压，无需使用外部滤波器即可承受浪涌。

当需要更先进的浪涌控制时，模块化架构的使用允许滤波器和专用子系统与电源转换器以高度紧凑的形式组合，而不会降低性能。例如，LGDS600 提供高达 202V 直流电压的瞬态限制器，功率容量为 600W。同样，虽然抗浪涌保护可以防止许多故障，但军用系统中的一个常见问题是如何确保在电源需要切换到备用电源或电池或发电机电源短时中断时持续运行。这些情况需要在前端使用保持模块，以便在短时间断电的情况下维持供电。

国防系统除了需要持续稳定的电力输送外，还需要能够应对极端高温、振动和冲击条件。在这些要求下，组件和子系统的老化将对各种航空航天和国防电子电源系统的长期支持构成挑战。

所有这些要求都需要创新设计。但通过精心的架构选择，GAIA 在电源转换技术领域的实践证明，所有这些要求都是可以实现的。例如，在产品淘汰方面，GAIA 开发了相应的开发流程，最大限度地减少了需要应对关键部件停产等情况的可能性。该公司设计方法的一个例子是对每个模块进行全面的淘汰风险分析，确保每个部件在模块的使用寿命期间都有很高的概率继续生产。

同样注重细节的考量也体现在每个模块的散热设计上，例如使用隔离金属基板支撑PCB和连接组件。对于基板，GAIA决定使用绝缘金属基板作为底板，该基板由铜制成，而非铝制。虽然铝制设计在材料方面更便宜，但总体而言，用户成本更高。GAIA采用的铜材料通过保持模块基板铜和用于电路的PCB走线之间一致的热膨胀系数来降低热机械应力。得益于这一选择，MGDS500系列在-55至+105°C的全温度范围内经历了超过1,000次热循环，没有出现任何问题。而采用铝制底板的相同产品则会在早期阶段出现内部故障。

对变压器等磁性元件进行改进，重点关注导线形状和铁氧体材料的质量，有望降低损耗并改善热性能。灌封胶的使用也带来了类似的良好性能。这些导热材料不仅能改善关键元件的散热，还能提高模块的抗冲击和抗振动能力。

专注于利用核心电力电子原理进行产品创新，并不断突破电路技术的极限，将有助于提供支持未来系统所需的技术。近期的冲突表明，国防系统的性质正在发生变化。事实证明，无人机是关键趋势之一，它需要高可靠性和功率密度，以及抗冲击和振动的能力。部队还将部署防御设备，例如更先进的雷达和探测系统、电磁干扰器、自动反无人机导弹系统以及脉冲功率激光器。

许多新系统将需要大幅提高总电力，需要用1kW的模块取代目前的500W设计。负载共享设计可能会变得更加重要。它们使可用功率翻倍甚至三倍变得更容易。但这种变化将要求模块采用更复杂的控制方案。

除了创新的控制策略外，材料科学还提供了在保持可靠性的同时提高功率密度的重要途径。在功率半导体领域，碳化硅 (SiC) 和砷化镓 (GaN) 等宽带隙材料具有诸多优势，包括效率、更高的输入电压能力和热可靠性。尤其是 SiC，其工作温度高达 200°C，非常适合更恶劣的环境。

与硅基材料相比，SiC 和 GaN 通过减少少数载流子并提高电导率，实现了更低的开关损耗。此外，SiC 和 GaN 还具有更低的电阻损耗和热辐射。更低的开关损耗意味着开关频率的潜在提升。这使得它们能够在供电电路中使用更小的无源元件，从而缩小尺寸并降低成本。由于这些材料不如硅成熟，因此器件报废管理是设计中至关重要的一部分。因此，使用针对汽车等大批量应用的产品，对于确保未来几年元件供应的可靠性至关重要。

电源设计的其他方面也提供了进一步改进的机会。例如，定制磁性元件能够将性能与高频宽带隙拓扑带来的新机遇相匹配。由于像 GAIA 这样采用定制方法的供应商能够掌控制造流程，因此与商用现货 (COTS) 方案相比，它们在避免产品过时方面也具有优势。

随着国防系统需求的变化，电源转换技术也随之发展，这得益于创新型供应商不断关注新材料和新设计方法带来的机遇。通过不仅考虑原始电路性能，还考虑国防工业所需的标准和长期支持，可以确保这些开发成果在每个新系统的整个生命周期内都能实现一致可靠的运行。