電源是任何電子系統(tǒng)的重要組成部分。只有在極少數(shù)情況下，電子應(yīng)用才能在不使用電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的情況下運(yùn)行。轉(zhuǎn)換器提供并調(diào)節(jié)電能，以確保電子電路能夠準(zhǔn)確捕獲和處理傳感器數(shù)據(jù)，并可靠地執(zhí)行計(jì)算。盡管電源至關(guān)重要，但人們始終致力于縮小這些模塊的尺寸并提高可靠性，尤其是在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域，隨著新的戰(zhàn)場(chǎng)需求的出現(xiàn)，這些領(lǐng)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品的需求正在迅速增長(zhǎng)。

電源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)不僅支持單電壓輸入的多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且通常充當(dāng)?shù)钟唐跀嚯姾碗妷翰▌?dòng)的第一道防線。滿足這兩項(xiàng)要求的關(guān)鍵在于開關(guān)轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用開關(guān)電源 (SMPS) 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，無論輸入是交流還是直流，它都能調(diào)節(jié)目標(biāo)電路的電源電壓。同樣，基于有源開關(guān)的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生高于直流輸入的電壓輸出。較舊的線性轉(zhuǎn)換技術(shù)效率較低。而且，只有在使用變壓器的情況下，它們才能產(chǎn)生高于輸入的電壓，這使得這種能力僅限于交流輸入的系統(tǒng)。

憑借其眾多優(yōu)勢(shì)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器迅速成為除模擬前端等低功耗電路中使用的線性穩(wěn)壓器之外最常見的電源轉(zhuǎn)換形式。早期采用雙極晶體管和二極管：它們的效率在40%到60%之間。隨著MOSFET晶體管的商業(yè)化，它們結(jié)合日益復(fù)雜的模擬和邏輯控制，實(shí)現(xiàn)了更高的效率設(shè)計(jì)。MOSFET革命同時(shí)推動(dòng)了電源轉(zhuǎn)換器尺寸的縮小，這在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域已被證明具有不可估量的價(jià)值。例如，20年前設(shè)計(jì)的四分之一磚轉(zhuǎn)換器(例如GAIA的MGDM150)可以提供150W的功率。如今，MGDM500系列采用半磚尺寸，可提供500W的功率。

其他技術(shù)進(jìn)步擴(kuò)展了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的能力，使其能夠滿足國(guó)防相關(guān)系統(tǒng)的需求。如今，許多此前電氣控制有限的國(guó)防裝備都采用了復(fù)雜的電子系統(tǒng)，例如智能彈藥和車輛制導(dǎo)系統(tǒng)。小型化使得自主無人機(jī)等新型設(shè)備成為可能。這些系統(tǒng)需要體積更小、功率密度更高的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以支持先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 和多核微處理器。它們還需要能夠應(yīng)對(duì)各種環(huán)境條件，如果不加以防范，這些環(huán)境條件可能會(huì)損壞電子控制裝置。這些要求促使電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)取得一系列進(jìn)一步的進(jìn)步。

GAIA 率先開發(fā)出能夠高效支持寬輸入范圍的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器無需單獨(dú)的瞬態(tài)限制器即可承受并保護(hù)大輸入浪涌。這些特性組合有助于減小電源轉(zhuǎn)換器的尺寸，同時(shí)在大部分輸入范圍內(nèi)保持較高的整體效率。例如，十多年前推出的 MGDD 系列，它支持前所未有的 12 至 160VDC 輸入范圍，并提供全面的浪涌保護(hù)。該設(shè)計(jì)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，該設(shè)計(jì)與許多工業(yè)DC/DC轉(zhuǎn)換器不同。這些轉(zhuǎn)換器通常僅在輸入范圍的某一部分進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)高效率。MGDD系列的效率在12至110V范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。它支持更高的電壓，無需使用外部濾波器即可承受浪涌。

當(dāng)需要更先進(jìn)的浪涌控制時(shí)，模塊化架構(gòu)的使用允許濾波器和專用子系統(tǒng)與電源轉(zhuǎn)換器以高度緊湊的形式組合，而不會(huì)降低性能。例如，LGDS600 提供高達(dá) 202V 直流電壓的瞬態(tài)限制器，功率容量為 600W。同樣，雖然抗浪涌保護(hù)可以防止許多故障，但軍用系統(tǒng)中的一個(gè)常見問題是如何確保在電源需要切換到備用電源或電池或發(fā)電機(jī)電源短時(shí)中斷時(shí)持續(xù)運(yùn)行。這些情況需要在前端使用保持模塊，以便在短時(shí)間斷電的情況下維持供電。

國(guó)防系統(tǒng)除了需要持續(xù)穩(wěn)定的電力輸送外，還需要能夠應(yīng)對(duì)極端高溫、振動(dòng)和沖擊條件。在這些要求下，組件和子系統(tǒng)的老化將對(duì)各種航空航天和國(guó)防電子電源系統(tǒng)的長(zhǎng)期支持構(gòu)成挑戰(zhàn)。

所有這些要求都需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)。但通過精心的架構(gòu)選擇，GAIA 在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)踐證明，所有這些要求都是可以實(shí)現(xiàn)的。例如，在產(chǎn)品淘汰方面，GAIA 開發(fā)了相應(yīng)的開發(fā)流程，最大限度地減少了需要應(yīng)對(duì)關(guān)鍵部件停產(chǎn)等情況的可能性。該公司設(shè)計(jì)方法的一個(gè)例子是對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行全面的淘汰風(fēng)險(xiǎn)分析，確保每個(gè)部件在模塊的使用壽命期間都有很高的概率繼續(xù)生產(chǎn)。

同樣注重細(xì)節(jié)的考量也體現(xiàn)在每個(gè)模塊的散熱設(shè)計(jì)上，例如使用隔離金屬基板支撐PCB和連接組件。對(duì)于基板，GAIA決定使用絕緣金屬基板作為底板，該基板由銅制成，而非鋁制。雖然鋁制設(shè)計(jì)在材料方面更便宜，但總體而言，用戶成本更高。GAIA采用的銅材料通過保持模塊基板銅和用于電路的PCB走線之間一致的熱膨脹系數(shù)來降低熱機(jī)械應(yīng)力。得益于這一選擇，MGDS500系列在-55至+105°C的全溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷了超過1,000次熱循環(huán)，沒有出現(xiàn)任何問題。而采用鋁制底板的相同產(chǎn)品則會(huì)在早期階段出現(xiàn)內(nèi)部故障。

對(duì)變壓器等磁性元件進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)線形狀和鐵氧體材料的質(zhì)量，有望降低損耗并改善熱性能。灌封膠的使用也帶來了類似的良好性能。這些導(dǎo)熱材料不僅能改善關(guān)鍵元件的散熱，還能提高模塊的抗沖擊和抗振動(dòng)能力。

專注于利用核心電力電子原理進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新，并不斷突破電路技術(shù)的極限，將有助于提供支持未來系統(tǒng)所需的技術(shù)。近期的沖突表明，國(guó)防系統(tǒng)的性質(zhì)正在發(fā)生變化。事實(shí)證明，無人機(jī)是關(guān)鍵趨勢(shì)之一，它需要高可靠性和功率密度，以及抗沖擊和振動(dòng)的能力。部隊(duì)還將部署防御設(shè)備，例如更先進(jìn)的雷達(dá)和探測(cè)系統(tǒng)、電磁干擾器、自動(dòng)反無人機(jī)導(dǎo)彈系統(tǒng)以及脈沖功率激光器。

許多新系統(tǒng)將需要大幅提高總電力，需要用1kW的模塊取代目前的500W設(shè)計(jì)。負(fù)載共享設(shè)計(jì)可能會(huì)變得更加重要。它們使可用功率翻倍甚至三倍變得更容易。但這種變化將要求模塊采用更復(fù)雜的控制方案。

除了創(chuàng)新的控制策略外，材料科學(xué)還提供了在保持可靠性的同時(shí)提高功率密度的重要途徑。在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，碳化硅 (SiC) 和砷化鎵 (GaN) 等寬帶隙材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括效率、更高的輸入電壓能力和熱可靠性。尤其是 SiC，其工作溫度高達(dá) 200°C，非常適合更惡劣的環(huán)境。

與硅基材料相比，SiC 和 GaN 通過減少少數(shù)載流子并提高電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了更低的開關(guān)損耗。此外，SiC 和 GaN 還具有更低的電阻損耗和熱輻射。更低的開關(guān)損耗意味著開關(guān)頻率的潛在提升。這使得它們能夠在供電電路中使用更小的無源元件，從而縮小尺寸并降低成本。由于這些材料不如硅成熟，因此器件報(bào)廢管理是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一部分。因此，使用針對(duì)汽車等大批量應(yīng)用的產(chǎn)品，對(duì)于確保未來幾年元件供應(yīng)的可靠性至關(guān)重要。

電源設(shè)計(jì)的其他方面也提供了進(jìn)一步改進(jìn)的機(jī)會(huì)。例如，定制磁性元件能夠?qū)⑿阅芘c高頻寬帶隙拓?fù)鋷淼男聶C(jī)遇相匹配。由于像 GAIA 這樣采用定制方法的供應(yīng)商能夠掌控制造流程，因此與商用現(xiàn)貨 (COTS) 方案相比，它們?cè)诒苊猱a(chǎn)品過時(shí)方面也具有優(yōu)勢(shì)。

隨著國(guó)防系統(tǒng)需求的變化，電源轉(zhuǎn)換技術(shù)也隨之發(fā)展，這得益于創(chuàng)新型供應(yīng)商不斷關(guān)注新材料和新設(shè)計(jì)方法帶來的機(jī)遇。通過不僅考慮原始電路性能，還考慮國(guó)防工業(yè)所需的標(biāo)準(zhǔn)和長(zhǎng)期支持，可以確保這些開發(fā)成果在每個(gè)新系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)一致可靠的運(yùn)行。