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【超接面,通往寬能隙半導體製程的跳板】
開關式電源 (Switch Power) 旨在控制開通和關斷的時間點以維持穩定的輸出電壓,一般由脈衝寬度調變 (PWM) 控制 IC 和金氧半場效電晶體 (MOSFET) 構成,輕量、提高工作頻率的耐受度是主要方向;而如何在高壓功率元件獲得良好的崩潰電壓及導通電阻?向來是業界不斷精進的課題。在氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等新一代寬能隙 (Wide Band-gap) 半導體材料未臻成熟前,借助高摻雜濃度的「超接面」(Super Junction,簡稱SJ) 結構,能有效優化上述兩項技術指標、達到節能目的,並突破矽 (Si) 材料極限,故成為新型高壓功率元件的新寵。
效能和價格固然是採購功率元件的基本準則,但電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 對於系統設計的影響亦不容小覷,否則善後工作會很棘手且耽誤開發時程,設計前應做全方位的考量。就系統角度而言,還須考慮週邊元件的適配度;例如,選用功率密度 (High Density) 高的元件,「扼流器」(Power Choke) 等被動元件的體積亦可隨之微縮。以伺服器為例,可連帶使整個電源模組、乃至機殼外型都更為輕薄,極大化利用有限的資料中心空間。若功率元件廠商能提供多種 RDS(ON) 導通電阻等級和不同封裝方式的「產品組合」,工程師也有更多選擇的可能性。
在功率因數修正 (PFC)、雙電晶體順向式 (TTF) 和其他硬切換拓樸中,擁有媲美 GaN 性能的 MOSFET,適合高功率開關模式電源 (SMPS) 應用,如:超大型資料中心、電信基地台、太陽能和工業等。此外,整合式本體二極體 (Body Diode) 確保低損耗續流功能,適用於馬達驅動、太陽能或焊接技術領域;而整合齊納二極體 (Zener diode) 的 MOSFET,具備更高的靜電放電 (ESD) 耐受性,可減少良率損失並改善組裝產能。除了導通電阻和損耗問題,封裝亦會關係到負載與電路板空間運用效率以及穩壓效果;溝槽式 MOSFET 模組平台和拓樸,動態損耗更低。
延伸閱讀:
《Infineon「超接面製程」為銜接GaN、SiC 材料作緩衝》
http://compotechasia.com/a/feature/2017/0615/35751.html
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【「控制器」是智能電源設計的關鍵】
如何實現智能環保的電源設計?從「提升電源轉換效率」著手、以降低開關損耗 (Switch Loss) 以及因阻抗而生的傳導損耗 (Conduction Loss) 是有效方式。在一般電源供應器將交流電的電壓轉成高壓直流電源的過程中,會因電壓與電流波形相位不一致而導致「相差損耗」(Phase-difference Loss);若功率因數太低,就會浪費電力。
在此狀況下需要進行功率因數修正 (PFC)。因此,IEC 法規明訂電源供應器大於 75W、照明大於 25W 者,須加裝 PFC 裝置,儘量減少電壓與電流之間的相位差,以提高功率因數與降低電流諧波失真,歐美現已普遍奉行此規定。功率因數 (Power Factor, PF) 與總諧波失真 (Total Harmonic Distortion, THD),是判斷 PFC 控制器效能的主要指標。
PFC 有主動式和被動式兩種:前者是由電感、金氧半場效電晶體 (MOSFET)、二極體 (Diodes)、電容以及控制 IC 等元件所構成,功率因數可達 0.9 以上,轉換效率較高;後者是以電感元件補償輸入電壓與電流之間的相位差,功率因數僅 0.7 ~ 0.8,但結構簡單、成本低是其優點。PFC 的操作模式又可基於功率等級,分為連續、非連續與臨界導通等三種模式:非連續與臨界導通模式適用小於 300W 的應用,連續模式則適用於 300W 以上的高功率。
當系統處於全載時最須留意的是傳導損耗;要降低 PFC 的傳導損耗,除了降低峰值電流外,還可透過採用低導通 RDS(ON) 電阻值之 MOSFET 達成目的;訴求低功耗的輕載或無載,高頻率開關所產生的切換損耗則是致命傷,可經由 PFC 控制器在輕載時降低切換頻率來實現。若再輔以突波模式 (Burst Mode)、優化待機/休眠/喚醒機制,就能打造最省電的系統。因此,電源設計是否夠智能省電達到低功耗高效率的要求,關鍵就在控制器。
以物聯網 (IoT) 應用為例,「系統及平台主機須永遠不斷線」(always- on),是節能系統設計最大的挑戰所在。為降低待機狀態的功耗,「智能被動感測」元件是較建議的解決方案;它是類似 e-tag 的被動感測器,平時全然不須耗電,僅在需要時才讀取數據即可。然而,其它感測元件如光學/影像等此類 CMOS 感測器,卻必須「常保清醒」,否則就失去監控的意義;與此同時,運作需不需要採用電池?也是一個重要考量。
此外,要提高電源供應效率及降低損耗,輕載或無載狀態下的「降低損耗」極為關鍵,而「良率」 仍是氮化鎵 (GaN) 大量商用化的門檻;所幸,「超接面」(super- junction) 製程對加速普及貢獻良多。隨著技術的成熟、密度及效率的進步,GaN 市場可望在 2020 年來到價格甜蜜點。至於漸受矚目的無線充電,一開始就採磁共振及電源管理演算法 (PMA) 充電的 AirFuel,其無線通訊功能並非內建在功率模組中,可借助嵌入式調諧器 (tuning) 解決「倍頻」諧波的問題。
延伸閱讀:
《得 Fairchild 一甲子功力灌頂,安森美半導體電源轉換底氣足》
http://compotechasia.com/a/____/2017/0615/35752.html
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