《Energy Conversion and Management-X》：A constraint-driven review on high density power conversion: Frequency, devices, and system-level limits
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在现代电力电子系统中，尺寸和重量在卫星、航空和电动汽车等各类应用中扮演着关键角色。这推动了高功率密度功率变换器（power converter）的广泛研究与开发。为了开发高密度变换器，提高开关频率（switching frequency）并在设计中使用宽禁带（
在现代电力电子系统中，尺寸和重量在卫星、航空和电动汽车等各类应用中扮演着关键角色。这推动了高功率密度功率变换器（power converter）的广泛研究与开发。为了开发高密度变换器，提高开关频率（switching frequency）并在设计中使用宽禁带（wide-bandgap, WBG）器件是实现减小尺寸和重量目标的几个步骤。本文对高功率密度变换器进行了综述，重点关注频率及其他设计约束。虽然提高频率可以改善功率密度指标，但同时也给变换器设计带来了新的挑战。这些挑战包括磁性元件中的损耗、寄生参数（parasitic parameters）影响的增大、电磁干扰（electromagnetic interference, EMI）以及热限制。本文还探讨了WBG器件在高功率密度设计中的作用。本文还讨论了不同的变换器拓扑（converter topologies），包括谐振拓扑（resonant topologies）、交错（interleaving）、多电平设计（multilevel designs）和寄生感知电路模型（parasitic-aware circuit models）。该综述还识别了跨变换器拓扑的开放性研究空白，并概述了可能塑造未来高密度设计的方向，包括封装级集成（packaging-level integration）、超宽禁带器件（ultra-wide-bandgap devices）以及更一致的功率密度基准测试（power density benchmarking）。
1. 引言
现代电力电子系统对紧凑、轻量和高集成度电气系统的需求不断增长，已将功率密度置于变换器设计的核心位置。从负载点（point-of-load）变换器、电动汽车充电系统到可再生能源接口和航空航天平台，设计人员被期望在日益受限的物理空间内提供更高的功率等级。功率密度已成为现代功率变换器中的基本性能目标。对尺寸和重量的约束，以及对更高系统级集成度和性能的要求，已使人们不再将密度视为次要指标。设计人员现将其视为主要设计驱动力，影响变换器架构的选择、元件选型和整体系统开发。提高开关频率可减少无源元件中存储的能量，使电感、变压器和电容得以缩小。宽禁带（WBG）器件因具有低开关损耗而扩展了可用频率范围。然而，实验表明，功率密度的增益并不随频率线性增长。在中等频率下，磁芯和铜损限制改进；在更高频率下，寄生电容、位移电流和电磁干扰（EMI）占主导地位，需要额外体积用于滤波和热管理。
为应对这些限制，已提出许多变换器级策略。谐振和软开关拓扑（包括LLC和双有源桥（dual-active-bridge）变换器）被广泛采用以减轻开关损耗并实现更高频率运行。交错和部分并联用于降低电流应力并支持磁集成，特别是在低压大电流应用中。在更高电压等级下，多电平和电压堆叠架构可降低dv/dt和器件应力，从而在不按比例增加EMI的情况下实现更高的有效开关频率。最近，集成PFC级、无滤波器设计和寄生感知EMI抑制等架构方法已证明，系统级协同设计通常需要在高频下保持功率密度增益。已有若干综述论文从器件中心或拓扑中心视角调查了高频功率变换器和宽禁带器件应用。虽然这些工作提供了新兴变换器结构和半导体技术的宝贵概述，但它们通常较少强调主导功率密度约束如何随开关频率、电压等级和功率等级演变，或辅助子系统和集成挑战如何最终决定可实现密度。先前研究主要集中于高密度功率变换的特定方面，包括半导体器件、变换器拓扑、磁性设计和EMI抑制。虽然这些工作为各项使能技术提供了宝贵见解，但它们通常未捕捉这些因素在开关频率、电压等级和功率等级上的相互依赖性。特别是，主导约束从较低频率下的无源元件体积向较高频率下的寄生效应、EMI和热限制的转变，未以统一方式明确解决。所报告的功率密度值难以比较，因为系统边界通常未定义或不一致。一些研究仅考虑功率级，而其他研究则包括栅极驱动器、控制电路、隔离元件、EMI滤波器、冷却硬件和机械结构。变换器体积及其边界决定了所报告的值。因此，设计人员应结合相应系统边界解释功率密度，并明确说明所包含的内容。基于频率和约束的分析比直接比较峰值功率密度更有意义。
本文分析基于频率和约束导向的视角。不是仅通过报告的峰值功率密度比较变换器拓扑，而是关注设计限制如何随开关频率、电压等级和功率等级变化。讨论强调了设定可实现极限的物理和系统级因素，并考察了不同变换器架构如何通过电气、热和电磁设计考虑来处理这些约束。
本文综述的主要贡献总结如下：提出了一种一致/规范化的方式来解释功率密度声明，通过明确定义变换器体积中包含的内容，无论辅助电源、驱动器和EMI滤波器是否计入；进行了以频率为中心的分析，识别了主导约束从无源体积向寄生效应、EMI和辅助子系统的转变；比较了谐振、交错、多电平及其他变换器拓扑，分析了每种架构如何处理特定设计约束；从系统视角综述了GaN和SiC器件的影响，表明这些器件扩展了可行频率范围，但将限制机制转向电磁和集成挑战；将无源元件、EMI抑制和辅助子系统纳入讨论，因为可实现功率密度最终受这些指标限制。
本文其余部分组织如下。第2节介绍了功率密度指标和用于跨不同变换器系统一致解释的规范化框架。第3节讨论了实现高功率密度的变换器架构及其应用领域。第4节分析了开关频率的影响并讨论了约束。第5节考察了宽禁带器件的作用及其对可实现设计空间的影响。第6节提及了提高功率密度的变换器级策略。第7节聚焦无源元件、寄生效应和EMI约束。第8节讨论了高开关频率下的辅助子系统和集成挑战。第9节总结了本文获得的关键设计权衡和见解，最后第10节对全文进行了总结。
2. 功率密度指标与规范化
功率密度被广泛用作评估功率电子变换器设计进展的关键性能指标；然而，其解释强烈依赖于系统边界定义和运行环境。近期文献中报告的功率密度值变化超过两个数量级，这不仅反映了开关频率和器件技术的进步，也反映了在评估变换器体积中是否包含EMI滤波器、栅极驱动电路和热管理等辅助子系统方面的不一致性。因此，功率密度应被解释为受约束的系统级指标，而非给定拓扑的固有属性。实验验证的高密度变换器的两个反复观察结果进一步支持了这一观点。迄今为止报告的最高体积功率密度通常在低压变换器中实现，其中磁性元件可最小化且系统边界定义严格，如混合开关电容（switched-capacitor）负载点架构所示。在千瓦级及以上，EMI滤波、绝缘和热管理主导变换器体积，降低了高开关频率和WBG器件的收益。因此，报告功率密度与实际功率密度之间出现明显差距。这一问题凸显了需要一致的规范化方法来比较不同变换器设计和运行条件下的功率密度。
2.1 功率密度的系统边界
图1总结了三种边界定义，并展示了每种定义如何从功率级（B1）连接到完全封装的变换器模块（B2）再到完整部署级系统（B3）。每种边界内包含的元件总结于表2。报告功率密度不一致的一个常见原因是使用了不同的系统边界定义。在若干研究中，这些边界未明确定义或随工作范围而变化。因此，报告值通常反映系统中包含多少部分，而非变换器性能的直接改进。文献中大多数工作遵循三种一般边界定义。第一种仅关注功率级，包括半导体器件、磁性元件和本地储能，同时排除辅助电路和EMI相关元件。第二种定义扩展边界以包括支持子系统，如栅极驱动器、控制和传感电路、隔离和EMI抑制元件。第三种边界代表完整系统，包括冷却硬件、机械结构和应用特定接口。本文将功率密度值视为按报告所述，但其解释与相应系统边界相关联。辅助电路、EMI抑制和热管理被视为变换器的一部分而非外部附加，这有助于跨不同变换器设计进行更一致和现实的比较。
2.2 体积与重量功率密度
功率密度通常以体积和重量指标两种方式描述。体积功率密度（以kW/L或W/cm3表示）在高频变换器研究中常用，因为它直接关系到电感、电容和变压器等无源元件如何随开关频率增加而缩小。重量功率密度（以kW/kg表示）在重量为关键因素时变得更重要，例如航空航天或运输应用。这两种度量并不总是以相同方式变化。差异主要来自封装选择、热路径和EMI要求，这些对体积和质量的影响不同。变换器可使用轻质材料但仍需相对较大的EMI滤波器。在这种情况下，重量值可能看起来较高，而体积密度仍受限。绝缘和散热也需要空间，进一步限制了系统的紧凑性。因此，仅在功率级水平比较设计可能具有误导性。有意义的比较应包括滤波器、冷却布置和互连等辅助部件，因为这些通常增加显著体积。实践中，提高功率密度不仅仅是增加开关频率的问题。设计人员通常依赖无源集成、更好的热设计和仔细的EMI控制来实现平衡结果。在MHz范围内运行的低功率变换器中可观察到不同行为，特别是基于GaN且具有集成磁件的变换器，这些可达到非常高的体积密度。然而，将此类设计扩展到更高功率等级并非直接可行。热限制、外壳约束和附加子系统开始占主导地位并限制进一步改进。总体而言，体积和重量功率密度不应分开处理。它们描述同一设计问题的不同方面，最好结合具体应用一起评估。
2.3 跨电压和功率域的规范化
功率密度在不同电压等级和功率等级下不遵循单一趋势。在低压大电流系统中，主要限制通常不再是磁性元件的尺寸。相反，储能要求和电容RMS电流应力变得更加重要。这种转变使得实现非常高的体积功率密度成为可能，特别是在开关电容和混合变换器拓扑中。中高压变换器的情况不同。此处，绝缘约束、高dv/dt运行和电磁干扰（EMI）往往主导设计。这些因素增加了额外体积，无法通过简单提高开关频率轻易减少。功率等级也有明显影响。在较低功率等级（通常几十瓦到几百瓦）下，使用更高开关频率、平面磁件和风冷更容易实现紧凑设计。随着功率等级进入千瓦甚至兆瓦范围，设计变得更加受限。热管理、绝缘和系统级要求开始占主导地位并逐渐限制功率密度的进一步改进。热管理、绝缘和EMI抑制开始决定整体设计。在这种情况下，更高开关频率对功率密度的直接益处变得不那么明显。这一趋势在电动汽车充电系统和并网变换器中常见。因此，本综述不尝试跨不同电压和功率域直接比较变换器。相反，功率密度值基于主导约束机制和用于解决这些限制的架构方法进行解释。该方法为分析高功率密度变换器设计中频率相关趋势提供了一致基础。
3. 高功率密度的变换器架构与应用背景
实现高功率密度功率变换器取决于拓扑、运行条件和系统级约束之间的相互作用。尽管文献中报告了多种变换器结构，但实际高密度实现并非均匀分布。实践中，实验验证的设计倾向于使用支持高频运行、紧凑储能以及有效控制电磁和热效应的架构。在此背景下，谐振变换器、双有源桥（DAB）拓扑、多电平变换器和开关电容或混合结构被广泛用于高功率密度设计。其有效性主要与软开关能力、分布式电压应力和减少对笨重磁性元件依赖等特性相关。这些特性使得在更高开关频率下运行而不会大幅增加损耗成为可能，也支持更好的系统集成。同时，其他变换器类型如非隔离、高增益和多端口配置仍发挥重要作用。当应用要求大电压转换比、双向功率流或使用多个能源时，通常选择这些类型。此类要求常见于可再生能源系统、电动汽车和并网应用中，满足功能需求通常比实现最高可能功率密度更重要。因此，变换器分类不能仅基于拓扑，还应反映应用背景和变换器预期运行的约束条件。
3.1 变换器架构分类
功率变换器通常基于隔离、能量传递机制和应用功能进行分类。虽然此方法有用，但未完全捕捉高功率密度设计的要求。实践中，考虑主导约束和变换器的实际运行条件也很重要。表3概述了高密度应用中使用的变换器类型，并将代表性拓扑与其关键特性相关联。此处讨论聚焦于直接影响功率密度的特性。例如，谐振变换器依赖软开关在更高频率下运行且损耗可控。多电平和电压堆叠结构有助于分布电压应力并改善电磁行为，这在更高电压等级下变得重要。在低压系统中，开关电容和混合变换器通过将储能从磁性元件转移来减小体积。同时，每种方法都有其自身限制。在谐振变换器高频运行中，磁损耗和寄生电容开始占主导。DAB变换器常受循环电流和有限软开关范围影响。多电平变换器需要更复杂的控制和跨电容的仔细电压平衡。开关电容变换器面临与电容应力和电荷再分配相关的约束，特别是在大电流条件下。其他变换器类型如非隔离、高增益和多端口配置通常为满足特定功能需求而选择，而非实现最大功率密度。其性能常受导通损耗、更高器件应力和增加的控制复杂性限制，特别是在升高开关频率下。这些因素使其不太适合超高密度设计。因此，表3中的分类不应仅视为变换器拓扑列表。每种方法相关的主导约束和权衡已在上述文本中讨论。
4. 开关频率对功率密度的影响
开关频率对功率变换器的功率密度有强烈影响，主要因为它影响无源元件的尺寸和集成水平。当开关频率增加时，电感、变压器和电容中所需的储能变小。这通常导致更紧凑的无源元件并实现更紧密的集成。同时，这种改进不会无限持续。实验结果表明，超过某一点后，损耗、寄生效应和辅助子系统的贡献开始抵消预期增益。这些限制在基于WBG的变换器从几百kHz到MHz范围内运行时变得更加明显。
4.1 无源元件随频率的缩放
在较低开关频率（通常低于100 kHz）下，由于高储能要求，磁性元件占据变换器体积的大部分。在此范围内，增加开关频率导致电感和变压器尺寸明显减小，直接减少体积。此原理已广泛用于约300–600 kHz运行的变换器，其中平面和PCB集成磁件允许更紧凑的布局。随着频率进一步增加，趋势变得不那么直接。磁芯损耗随更快的磁通变化而上升，铜损因趋肤效应（skin effect）和邻近效应（proximity effect）而增加。LLC和DAB变换器的报告结果表明，尽管磁件尺寸在几百kHz以上继续减小，但相关损耗密度快速增长。在此阶段，设计目标发生变化。不再仅关注减小体积，而是更多关注热限制和整体效率。实践中，磁设计不再仅由尺寸定义，还由允许损耗和温升定义。电容遵循类似模式。增加开关频率减少所需电容，但也增加RMS电流应力和介电损耗。这些效应在谐振和开关电容变换器中变得特别重要。在低压大电流应用如负载点变换器中，基于飞跨电容（flying capacitor）的能量再分配相比纯磁缩放方法显示出更好的体积性能。这表明无源元件的限制因素强烈依赖于应用和运行条件，而非遵循单一普遍趋势。
图2说明了无源元件约束如何随开关频率增加而变化。在低频（约104–105 Hz）下，所需磁储能高，磁性元件主导变换器体积。随着开关频率增加，此能量需求减少，导致磁件尺寸快速减小和体积功率密度改善。当频率达到中频范围（约3×105–6×105 Hz）时，体积减小速率变小。在此阶段，磁芯损耗、交流铜损和寄生效应开始在设计中发挥更重要作用。在更高频率（通常高于106 Hz）下，热约束变得占主导。总损耗的增加使散热和温度控制成为主要设计挑战。这种从体积主导行为到损耗主导再到热限制运行的转变在文献中报告的高频LLC、DAB和平面磁件变换器中常见。
4.2 高密度变换器中的实际频率限制
增加开关频率可减小无源元件尺寸并提高功率密度。然而，此益处MHz运行时变得不那么明确。在这些频率下，出现新约束，主要与磁设计和电磁兼容性（electromagnetic compatibility, EMC）相关。在较低频率下通常可忽略的寄生电容和杂散电感开始直接影响电路行为。结果，波形、损耗和EMI性能不再仅由理想设计决定。在基于WBG的变换器中，开关转换变得非常快。例如，GaN半桥电路可实现高于200 V/ns的dv/dt值。
