低电感电源总线

随着直流电流随着电动汽车和混合动力汽车等应用中开关频率的增加而增加，对直流电源总线的性能要求不仅仅是 IR 降（即电压降）和热考虑。由于设计需求和以碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 开关为代表的宽带隙器件 (WBG) 的使用增加，该总线现在必须在数百千赫兹的更高频率下具有非常低的电感。

总线必须具有低电阻和低电感，而且还必须有足够的电容来消除电压纹波。不幸的是，由于它们的互连和内部寄生效应，用于第二个属性的相同电容器对第一个属性有害。除了简单地添加更多大容量电容之外，还可以使用不同的方法来尝试实现多个相互冲突的目标。

最近，桑迪亚国家实验室的一个团队开发了一种解决这个问题的有趣方法并申请了专利。（如果您想知道“谁或什么是桑迪亚？”——这有点复杂。桑迪亚国家实验室是一个多任务美国政府实验室，由桑迪亚有限责任公司的国家技术和工程解决方案管理和运营，桑迪亚有限责任公司是该公司的全资子公司。 Honeywell InternaTIonal Inc. — 为美国能源部的国家核安全管理局服务。让我们暂且不谈。）

他们的设计使用分层的、类似 PC 板的结构，其中两个金属平面被聚合物电介质隔开，以提供“平面”电容，图 1。

图 1. 电源总线看起来像一块 PC 板，但使用的是聚合物电介质而不是玻璃环氧树脂，因此它的功能类似于平面电容器。（来源：桑迪亚国家实验室）

该基本电容由大量（数百个）小型多层陶瓷电容器 (MLCC) 提升 - 而不是通常的电解或薄膜电容器 - 使用标准 PC 板通孔连接在平面之间，图 2。

图 2. 组装板的俯视图和仰视图显示了大量 MLCC 器件以及大的、不间断的“接地”平面。（来源：桑迪亚国家实验室）

这种方法提供了电和热的好处。如此多的电容器的分散放置降低了高频电流组件的分流阻抗，而扁平陶瓷电容器可以承受更高的温度并支持更好的气流。还有其他好处。在现有的应用中，正负（通常称为地）轨使用汇流条，并且它们被大面积隔开；当磁场线穿过这个更大的区域时，由于大电流回路，有更高的有效电感。Sandia Laboratories 基于平板的方法通过减少电流回路的面积来大大降低电感。

他们的原型板使用 2 盎司覆层 PC 板材料，厚度约为 6 × 11 × 0.062 英寸（150 × 280 × 1.6 毫米）。它装有 336 个 0.15 µF/1000 V MLCC 器件（具有 X7R 电介质和 AEC – Q200 认证，适用于汽车用途）。总电容为 50.4 µF，他们的模型和模拟表明这足以将纹波保持在 100 kHz 的目标值以下。

除了广泛的建模之外，他们还使用阻抗测量仪器在 100 Hz 至 10 MHz 范围内测试了该设计，图 3，这些结果与他们的模型非常匹配。他们还将他们的结果与丰田普锐斯中以类似方式使用的公交车模型进行了比较。他们的总线性能有些优越，体积更小，并且可以承受更高的温度。

图 3. 阻抗与频率的测试结果表明，模拟和物理单元的性能密切跟踪，并且优于丰田普锐斯中的现有总线。（来源：桑迪亚国家实验室）

专利“低电感直流电源总线”（编号10,084,310）本身呢？该专利涵盖了建模、讨论、分析、设计、构建和测试结果，当然，所有这些都是解释他们构建低电感电源母线的方法所必需的。

但这并不是我对这项专利感兴趣的地方。我已经阅读或浏览了很多专利——一旦你了解了所有的正式风格，它们就是一个信息丰富的初级资源——而且大多数都是相当枯燥和技术性的。简而言之，他们说，“有一个问题，这是我们的创新解决方案，这是它的工作原理和原因”，专利故事到此结束。

相反，该专利更像是EDN 中的营销宣传或供应商撰写的技术文章。它的很多前期空间都用于讨论市场需求和机会、不同方法之间的权衡以及类似的考虑，直到它最终进入创新本身的细节。我很困惑，因为我认为专利的发布仅取决于其技术优势，而不是任何市场分析或需求。毕竟，许多专利被授予独特的、非显而易见的设计，没有或几乎没有商业前景——或者为未来的侵占提供障碍。许多专利创意都处于停滞状态，一些代表已经上市的产品，而另一些则处于停滞状态——只有在其他发展提高其价值时才变得有价值。

审核编辑：刘清