Удельная мощность | это… Что такое Удельная мощность?

Удельная мощность — отношение потребляемой устройством мощности к его массе (или объёму).

Удельная мощность автомобиля

Применительно к автомобилям удельной мощностью называют максимальную мощность мотора, отнесённую ко всей массе автомобиля. Мощность поршневого двигателя, делённая на литраж двигателя, называется литровой мощностью. Например, литровая мощность бензиновых моторов составляет 30…45 кВт/л, а у дизелей без турбонаддува — 10…15 кВт/л.

Увеличение удельной мощности мотора приводит, в конечном счёте, к сокращению расхода топлива, так как не нужно транспортировать тяжёлый мотор. Этого добиваются за счёт лёгких сплавов, совершенствования конструкции и форсирования (увеличения быстроходности и степени сжатия, применения турбонаддува и т. д.). Но эта зависимость соблюдается не всегда. В частности, более тяжёлые дизельные двигатели могут быть более экономичны, так как КПД современного дизеля с турбонаддувом доходит до 50 %[1].

В литературе, используя этот термин, часто приводят обратную величину кг/л.с. или кг/квт.

Удельная мощность танков

Мощность, надёжность и другие параметры танковых двигателей постоянно росли и улучшались. Если на ранних моделях довольствовались фактически автомобильными моторами, то с ростом массы танков в 1920-х—1940-х гг. получили распространение адаптированные авиационные моторы, а позже и специально сконструированные танковые дизельные (многотопливные) двигатели. Для обеспечения приемлемых ходовых качеств танка его удельная мощность (отношение мощности двигателя к боевой массе танка) должна быть не менее 18—20 л. с./т.

Удельная мощность некоторых современных танков

Страна-производитель	Модель танка	Боевая масса, т	Мощность двигателя, л.с.	Удельная мощность, л.с./т	Тип двигателя
Франция	Леклерк	54,6	1500	27,4	дизельный двигатель
Россия	Т-80У-М1	46,0	1250	27,2	газотурбинный двигатель
Украина	Т-84	46,0	1200	26,08	дизельный двигатель
США	М1А2 Aбрамс	62,5	1500	24,0	газотурбинный двигатель
Германия	Леопард-2А5	62,5	1500	24,0	дизельный двигатель
Россия	Т-90С	46,5	1000	21,5	дизельный двигатель
Израиль	Меркава Mk. 3	60,0	1200	20,0	дизельный двигатель
Великобритания	Челленджер-2	62,5	1200	19,2	дизельный двигатель

Немного об удельной мощности. Что необходимо знать инженеру?

Удельная мощность — тема, с которой, вероятно, знакомо большинство инженеров, но часто они даже не задумываются об этом. Или, возможно, вы думаете, что это не коснётся вас. Данная статья представляет собой общее введение по данной теме, которая, кажется, становится все более серьезной проблемой при разработке электронных продуктов.

Определение удельной мощности

Удельная мощность (иногда называют плотность мощности) — это термин, который более или менее определяет себя. Для более формального определения рассмотрим следующее: удельная мощность — это мера величины выходной мощности схемы или устройства, деленной на объем этого устройства или продукта. Значение удельной мощности должно соответствовать непрерывному максимальному значению, которое цепь может обеспечить при наихудших условиях эксплуатации.

Если вы представите прямоугольный корпус, как показано на рисунке ниже, объем будет произведением высоты, ширины и глубины источника питания. Следовательно, удельная мощность (УМ) будет равна:

Удельная мощность обычно связана с источниками питания, силовыми ИС или любой схемой, генерирующей электроэнергию. В этой статье мы будем использовать эталонный источник питания для расчета частичных разрядов.

Единицей измерения частичных разрядов является ватт на кубический метр (Вт / м³) или ватт на кубический дюйм (Вт / дюйм³). Другая связанная мера — плотность тока или амперы на кубический миллиметр или кубический дюйм (А / мм³ или А / дюйм³).

Почему удельная мощность?

Удельная мощность важна из-за следующих факторов:

• Чем меньше, тем лучше: тенденция во всех продуктах на протяжении многих лет заключалась в том, чтобы делать их меньше, но при этом не терять мощность и выдавать столько же, если не больше энергии.
• Фактор сравнения: значение плотности мощности дает вам прямой способ сравнить импульсные источники питания (SMPS) или практически любые устройства питания (преобразователи постоянного тока в постоянный DC-DC, усилители мощности звука и так далее).
• Объем блока питания обычно является проблемой в любом новом продукте: в первую очередь из-за тепловых характеристик.
• Эффективность — главная проблема всей электроники: повышение эффективности источников питания также обычно улучшает удельную мощность.

Достижение по «упаковке энергии»

Один из простых способов увеличить удельную мощность — уменьшить размеры компонентов. Выбирайте конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и радиаторы наименьшего размера, требуемые конструкцией. Однако у этого метода есть ограничение, потому что размер является основным фактором в фактической стоимости компонента.

Такой подход можно использовать и дальше, если вы можете увеличить частоту переключения. Импульсные регуляторы,DC-DC преобразователи и другие импульсные схемы не требуют такой большой фильтрации или накопления энергии на более высоких частотах для достижения того же результата. А при более высоких частотах возможно значительное уменьшение размеров конденсаторов и катушек индуктивности.

Ранние SMPS работали на частоте менее 100 кГц. Новые разработки перешли на диапазон 100 кГц и выше. Сегодня большинство схем переключения работают на частотах в диапазоне от 1 до 4 МГц.

Хотя значительное уменьшение размера происходит на более высоких частотах, есть предел для дальнейшего уменьшения размеров продуктов электроники. Это связано с тем, что продолжающееся увеличение частоты коммутации увеличивает потери при переключении. Данные потери в основном связаны с активным сопротивлением коммутирующего транзистора или сопротивлением сток-исток (RDS (вкл)).

Снижение сопротивления сток-исток обычно увеличивает заряд затвора и паразитные емкости. Зарядка и разрядка паразитных емкостей затворов и стоков транзистора требует некоторой энергии, которая увеличивает общие потери.

Еще одним фактором, ограничивающим увеличение плотности мощности, являются потери при обратном восстановлении в основном диоде полевых МОП-транзисторов. Паразитные индуктивности также вызывают коммутационные потери. Уменьшение частоты переключения помогает минимизировать все эти потери. Однако компромисс заключается в балансировании потерь с меньшими размерами компонентов, что делает частоту переключения критическим фактором конструкции. Выбор силового MOSFET транзистора для конструкции SMPS имеет решающее значение, поскольку различные характеристики, такие как сток-исток RDS (включено), паразитные емкости, площадь кристалла и частота коммутации, тесно связаны друг с другом.

На плотность мощности также влияют тепловые характеристики транзисторов, которые являются функцией увеличенных коммутационных потерь. Избавление от тепла — основная проблема в конструкции SMPS — определяется в первую очередь компоновкой транзисторов или интегральных микросхем (ИС).

Увеличение частоты переключения привело к значительному уменьшению размеров транзисторов и ИС, что существенно повлияло на конструкцию корпуса. Чем меньше размер корпуса, тем труднее отводить тепло устройству. Как правило, уменьшение коммутационных потерь улучшает тепловые характеристики. Инновационная конструкция корпуса может улучшить рассеивание тепла и обеспечить более высокую удельную мощность.

GaN транзисторы

Один из надежных способов достичь желаемого уровня плотности мощности — использовать улучшенные транзисторы или ИС. Те, которые сделаны из нитрида галлия (GaN), особенно хорошо работают в режиме импульсного источника питания. Эти устройства могут работать на гораздо более высоких частотах с незначительным снижением эффективности или без него. Потери в GaN-устройствах намного меньше, чем у кремниевых или даже SiC-устройств, что позволяет им работать на гораздо более высоких частотах.

Сочетание устройств на основе GaN с инновационным корпусом существенно увеличит удельную мощность. Одним из таких примеров является корпус HotRod QFN от Texas Instruments. Он снижает паразитные индуктивности, связанные с более традиционными корпусами. Дополнительным ключом к лучшему снижению нагрева являются выступы на некоторых корпусах на целой пластине (WCSP) — они передают большую часть тепла печатной плате (PCB) для более быстрого его отвода и распространения в пространстве.

Дополнительный выигрыш в плотности мощности является результатом инновационных разработок, таких как улучшенные драйверы затвора и новые топологии преобразователей. Один из самых больших преимуществ — это увеличенная интеграция схем. Размещение большего количества компонентов и схем в небольшом корпусе значительно увеличивает удельную мощность.

Одним из таких примеров является интеграция схемы драйвера затвора в корпус GaN FET. При разработке многокристальных модулей с двумя или более кристаллами в корпусе удельная мощность будет расти. Включение пассивных компонентов в корпус ИС — еще один метод интеграции, который создает меньше паразитных помех и снижает электромагнитные помехи. Наконец, трехмерное наложение компонентов также дает желаемый выигрыш. Хотя уменьшение занимаемой площади блока питания или печатной платы преобразователя полезно, не забывайте учитывать доступное вертикальное пространство.

В заключение, улучшения плотности мощности могут быть достигнуты за счет сбалансированного сочетания методов, которые включают снижение коммутационных потерь, улучшение тепловых характеристик за счет лучшей «упаковки деталей в корпус» и увеличение степени интеграции. Помня о концепции плотности мощности при проектировании следующего блока питания или схемы питания, вы автоматически добьетесь повышения эффективности, охлаждения и меньшего размера.

Плотность энергии против плотности мощности

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Плотность энергии — количество энергии в заданной массе (или объеме), а плотность мощности — количество энергии в заданной массе. Различие между ними подобно разнице между Энергией и мощностью. Батареи имеют более высокую плотность энергии, чем конденсаторы, но конденсатор имеет более высокую плотность мощности, чем батарея. Это различие связано с тем, что батареи способны хранить больше энергии, а конденсаторы могут отдавать энергию быстрее.

Плотность энергии

полная статья

Если система имеет высокую плотность энергии, то она способна хранить большое количество энергии при небольшом количестве массы. Высокая плотность энергии не обязательно означает высокую плотность мощности. Объект с высокой плотностью энергии, но низкой удельной мощностью может выполнять работу в течение относительно длительного периода времени.

[1] Примером такого типа накопителя энергии является мобильный телефон. Его мощности хватит на большую часть дня, но для подзарядки устройства его необходимо подключить к другому источнику питания на час и более.

Рисунок 1. Это демонстрирует взаимосвязь между плотностью энергии и плотностью мощности. Например, топливные элементы будут иметь очень высокую плотность энергии при относительно низкой плотности мощности. ^[2]

Плотность мощности

полный артикул

Если система имеет высокую удельную мощность, то она может вырабатывать большое количество энергии в зависимости от ее массы. Например, крошечный конденсатор может иметь такую ​​же выходную мощность, как большая батарея. Однако, поскольку конденсатор намного меньше, он имеет более высокую удельную мощность. Поскольку они быстро высвобождают свою энергию, системы с высокой удельной мощностью также могут быстро перезаряжаться. Примером применения этого типа накопителя энергии является фотовспышка. Он должен быть достаточно маленьким, чтобы поместиться внутри камеры (или мобильного телефона), но иметь достаточно высокую выходную мощность, чтобы осветить объект вашей фотографии. это делает систему с высокой удельной мощностью идеальной.

Пример

Чтобы лучше понять плотность энергии, представьте себе людей, разжигающих костер в походе. Настал вечер, пора угощаться, а значит, пора разводить костер. Естественно, костер сначала разжигают растопкой. Высокое отношение площади поверхности к объему означает, что он быстро сгорает — высокая удельная мощность. Как только огонь разгорается, растопка больше не является хорошим топливом, потому что она сгорает слишком быстро.

Теперь огонь лучше горит с поленьями, потому что они имеют большую плотность энергии. Одно бревно хорошо горит долго.

Для дальнейшего чтения

• Плотность энергии
• Плотность мощности
• Дерево
• Конденсатор
• Аккумулятор
• Или просмотрите случайную страницу. J. Зеленая энергия , том. 5, нет. 6, стр. 438-455, декабрь 2008 г.
• ↑ «Файл: Lithium Ion Capacitor Chart.png — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lithium_Ion_Capacitor_Chart.png. [Доступ: 13 июля 2018 г.].

Плотность мощности: что нужно знать всем специалистам по энергоэффективности

Загрузите эту статью в формате PDF.

Удельная мощность — это тема, с которой большинство инженеров, вероятно, знакомы, но часто не задумываются над ней. Или, возможно, вы думаете, что вас это не касается. Для вашего сведения, эта статья представляет собой общее введение в тему, которая, кажется, становится все более актуальной проблемой в области разработки электронных продуктов.

Рекламные ресурсы:

• Понимание компромиссов и технологий для повышения удельной мощности
• Понимание фундаментальных технологий удельной мощности
• Введение в фундаментальные технологии удельной мощности

Определение плотности мощности

Плотность мощности — это термин, который больше или меньше определяет себя. Для более формального определения рассмотрите следующее: Плотность мощности — это мера количества выходной мощности схемы или устройства, деленная на объем устройства или продукта. Значение мощности должно быть непрерывным максимальным количеством мощности, которое схема может обеспечить в наихудших условиях окружающей среды.

Если принять прямоугольную упаковку, как показано на рисунке ниже, объем будет произведением высоты, ширины и глубины источника питания. Таким образом, удельная мощность (PD) будет:

PD = V _o I _o /(В x Ш x Г)

. Для целей этой статьи мы будем использовать источник питания для расчета частичного разряда.

Одной единицей измерения ЧР является ватт на кубический метр (Вт/м ³ ) или ватт на кубический дюйм (Вт/дюйм ³ ). Другой родственной мерой является плотность тока или ампер на кубический миллиметр или кубический дюйм (А/мм ³ или А/дюйм ³ ).

Почему удельная мощность?

Плотность мощности важна из-за следующих факторов:

• Чем меньше, тем лучше: Тенденция во всех продуктах на протяжении многих лет заключалась в том, чтобы сделать их меньше, но при этом иметь возможность делать то же самое и производить столько же, сколько если не больше мощности.
• Сравнительный коэффициент: Значение удельной мощности позволяет напрямую сравнивать импульсные источники питания (SMPS) или почти любые устройства питания (преобразователи постоянного тока, аудиоусилители и т. д.)
• Power- объем поставок, как правило, является проблемой для любого нового продукта: Это в первую очередь связано с тем, что тепловые соображения очень важны.
• Эффективность является основным вопросом, касающимся всей электроники: Повышение эффективности источников питания также обычно повышает удельную мощность.

Достижение удельной мощности

Одним из простых способов повысить удельную мощность является уменьшение размеров компонентов. Выбирайте как можно меньшие конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и радиаторы, требуемые конструкцией. Однако этот метод имеет ограничения, поскольку размер является основным фактором фактической стоимости компонента.

Такой подход можно использовать и дальше, если вы сможете увеличить частоту коммутации. Импульсные стабилизаторы, преобразователи постоянного тока и другие схемы с импульсным режимом не требуют такой большой фильтрации или накопления энергии на более высоких частотах для достижения того же результата. А на более высоких частотах возможно значительное уменьшение размеров конденсаторов и катушек индуктивности.

Ранние SMPS работали на частоте менее 100 кГц. Более новые конструкции переместились в диапазон 100 кГц и выше. Сегодня большинство коммутационных схем работают на частотах в диапазоне от 1 до 4 МГц.

Несмотря на то, что значительное уменьшение размера происходит на более высоких частотах, существует предел для дальнейшего увеличения этого уменьшения. Это связано с тем, что постоянное увеличение частоты коммутации увеличивает потери на коммутацию. Эти потери в основном связаны с сопротивлением переключающего транзистора в открытом состоянии или сопротивлением сток-исток (R _ДС(о) ).

Снижение сопротивления в открытом состоянии обычно приводит к увеличению заряда затвора и паразитных емкостей. Зарядка и разрядка этих паразитных емкостей затворов и стоков транзисторов требует энергии, которая увеличивает общие потери.

Еще одним фактором, ограничивающим повышение удельной мощности, являются потери обратного восстановления в корпусных диодах основных переключающих МОП-транзисторов. Паразитные индуктивности также вызывают коммутационные потери. Снижение частоты коммутации помогает свести к минимуму все эти потери. Компромисс, однако, заключается в том, чтобы компенсировать потери меньшими размерами компонентов, что делает частоту переключения критическим фактором при проектировании. Выбор мощного MOSFET для конструкции SMPS имеет решающее значение, поскольку различные характеристики, такие как R _DS(on) , паразитные емкости, площадь кристалла и частота переключения тесно связаны между собой.

На плотность мощности также влияют тепловые характеристики транзисторов, которые зависят от повышенных коммутационных потерь. Избавление от тепла — основная проблема при проектировании импульсных источников питания — определяется в первую очередь компоновкой транзисторов или интегральных схем.

Увеличение частоты переключения привело к значительному уменьшению размеров транзисторов и интегральных схем, что оказало значительное влияние на дизайн корпусов. Чем меньше упаковка, тем труднее устройству рассеивать тепло. В целом, сдерживание коммутационных потерь улучшает тепловые характеристики. Инновационная конструкция корпуса может улучшить рассеивание тепла и повысить удельную мощность.

Транзисторы GaN

Одним из надежных способов достижения желаемого уровня плотности мощности является использование усовершенствованных транзисторов или интегральных схем. Те, которые сделаны из нитрида галлия (GaN), особенно хорошо работают в режиме SMPS. Эти устройства могут работать на гораздо более высоких частотах практически без снижения эффективности. Потери GaN-устройств намного меньше, чем у кремниевых или даже SiC-устройств, что позволяет им работать на гораздо более высоких частотах.

Сочетание GaN-устройств с инновационным корпусом значительно увеличивает удельную мощность. Одним из таких примеров является пакет HotRod QFN от Texas Instruments. Это уменьшает паразитные индуктивности, связанные с более традиционной упаковкой. Дополнительным ключом к лучшему снижению тепла являются выпуклости на некоторых корпусах вафельных чипов (WCSP) — они передают большую часть тепла на печатную плату (PCB) для более быстрого распространения и более быстрого рассеивания тепла.

Дополнительный прирост удельной мощности является результатом инновационных разработок, таких как улучшенные драйверы затворов и новые топологии преобразователей. Одно из самых больших преимуществ связано с увеличением интеграции схем. Размещение большего количества компонентов и схем в небольшом корпусе значительно повышает удельную мощность.

Одним из таких примеров является интеграция схемы драйвера затвора в корпус GaN FET. При разработке многокристальных модулей с двумя или более кристаллами в корпусе плотность мощности возрастет. Размещение пассивных компонентов внутри корпуса ИС — это еще один метод интеграции, который создает меньше паразитных помех и снижает электромагнитные помехи. Наконец, трехмерное наложение компонентов также даст желаемый выигрыш. Хотя уменьшение занимаемой площади блока питания или преобразователя полезно, не забывайте учитывать доступное вертикальное пространство.

В заключение следует отметить, что повышения удельной мощности можно достичь за счет сбалансированного сочетания методов, включающих снижение коммутационных потерь, улучшение тепловых характеристик за счет более качественной компоновки и увеличение степени интеграции.