以高效电源迎接智慧绿能新时代

近期各国所制定的各类节能法规已陆续生效，对于服务器、家电、电动汽车、消费电子等各类设备与节能标准更往上提升一个层次，因此往高功率、高转换效率的发展已是板上钉钉。
另一方面，为了缩短便携式设备的充电时间，以及提升充电的便利性，快充技术与无线充电技术也纷纷向较高电压迈进。这些趋势不仅为硅基功率元器件带来新的市场契机，也让宽带隙(WBG)元器件有了大显身手的机会。
在日前举办的Tech Taipei系列──”高效能功率元器件暨转换技术研讨会”上，来自电源相关领域的领导厂商为设计人员提供了针对各种大小功率、高能效、高功率密度且具竞争力的电源系统设计、解决方案与实作示例，协助工程师掌握宽带隙功率元器件的最新技术进展。
图1：当能源需求成长超过能源供应成长，电网和电厂基础设施无法满足，将会导致停电和其他可靠性问题。(来源：Microchip)
数字电源提升能源应用效率
提升系统的能源效率至关重要。Microchip资深应用工程师李政道引用一项数据中心的用电量统计数据显示，2017年全球数据中心用电量达到416TWh，2021年时更高达780TWh。全球用电量预计每4年将会倍增，”但数据中心每提升1%的效率，将可省下7.8TWh能源或者少盖70座新的燃煤发电厂。”
提高能源应用效率涉及新的技术与控制，这就需要数字电源的协助。目前，传统的数据中心主要采用UPS、AC/DC转换器以及12V输出。为了更新电源构架以提升效率，越来越多的电源应用着眼于支持图腾柱(Totem-Pole)PFC构架，例如Microchip与Transform合作采用dsPIC33CK的4kW Totem-Pole PFC。
其次是必须缩小尺寸。李政道说，电源工程师为了让同样4kW的电源体积大幅缩小，就需要进一步提升密度，其挑战在于如何有效控制拓扑，将传统拓扑改变为4阶FCML Totem-Pole，使其在150kHz开关频率时即可达99%的效率。
图2：传统拓扑改变为4阶FCML Totem-Pole，使其于150kHz开关频率时达到99%的转换效率。(来源：Microchip)
此外，为了提高整体系统效率，数据中心的电源系统正从传统的12V过渡至48V机架电源构架(Rack Power Architecture)，增加了中继馈线转换器(IBC)以提高功率密度并改善板空间利用率，同时也有助于创造新的应用机会，例如5G电源。
李政道说：”5G基地台尺寸越来越小，能量密度持续提升，但由于5G系统用电量是原有4G/LTE系统的3倍——即在相同体积下的瓦数要增加3倍，IBC即在此发挥了作用。”
但如果要再进一步提升能量密度，就得靠宽带隙半导体了。
GaN提升功率密度，迈向节能与微型化
宽带隙元器件由于具有高功率输出与切换速度快、切换损耗低(较IGBT降低73%)，以及更小尺寸封装(可缩减到原有尺寸的一半)等特点，正成为业界积极导入的新材料。
特别是随着当今能源发展趋势围绕节能与微型化，包括USB Power Delivery(PD)、无线充电、5G和服务器等都在朝着微型化发展，功率密度成为研发人员关注的关键指标。
意法半导体(ST)亚太区功率离散和模拟产品部项目经理吕永程指出，采用GaN能够在相同单位体积处理更高功率，让微型化系统/产品实现更高的切换频率、效率和功率密度，例如让手机周边、快速充电器、太阳能系统等变得更小更轻更加节能，服务器电源也朝着模块化发展。
图3：USB PD配接器的功率级、功率密度和开关频率不断提升，如何持续提高效率成为一项挑战。(来源：STMicroelectronics)
为此，聚焦于充电器与小功率的GaN应用，ST也推出一系列新技术与产品，包括针对ACF构架(USB PD产品用)的ST-One一/二次侧整合芯片、整合2颗GaN芯片的MasterGaN驱动器，主要用于ACF和LC构架，以及PWM IC结合GaN的SiP整合芯片——VIPerGan。例如，一款ST与客户合作的高整合USB PD数字充电控制器，采用ST-One+MasterGaN，可实现94%的效率，功率密度大于30W/in3，可说是一项重要的里程碑。
针对USB PD拓扑采用的主动箝位驰返式转换器(ACF)或QR驰返式构架，由于并非100%保证每次都达到零电压切换(ZVS)，吕永程介绍了ST非补偿式控制创新技术，由于可在箝位开关阶段减少电源损耗，并可”回收”恢复漏感能量，以及调整Ta电流平方参数来控制电流大小，以实现高效率和高开关频率，因而有助于采用平板式变压器和GaN的高密度设计更容易达到ZVS。
如何测量宽带隙功率元器件特性?
针对宽带隙功率半导体元器件应用，一般透过其功率大小与操作频率作为区分不同特性的指标，并根据其半导体材料的不同应用于各领域。而以测试的角度来看，应该测试功率半导体元器件的哪些特性呢?
Tektronix业务部技术经理吴道屏说：”功率半导体主要用于开关，因而涉及元器件处于导通状态、关断状态或过渡状态、电容电压(C-V)的曲线变化等动态测量，以及它们如何预测元器件的某些动态特性，例如开关时间和闸极电荷。这些测量项目都必须使用电压、电流偏置以及电压和电流进行测试。”
实际测试时着重于测量其动态与静态特性。静态测量主要测试其稳定状态时的参数，如I-V曲线、VGS、ID以及电容、电压等特性、高压时的脉冲以及DC参数等等。动态测量则包括元器件在高速切换时的信号变化、时序以及在高压下的特性表现等等，并以脉冲(Pulse)测试作为主要规范。
图4：各种功率半导体测试所需要的动态与静态特性参数。(来源：Tektronix)
针对晶圆级和封装级的静态特性可以采用像是Keithley参数化曲线追踪器(PCT)，支持封装元器件和晶圆级测试，并可搭配ACS专业整合软件，在追踪模式下快速查看各种待测设备特性的结果。
为了测量MOSFET和IGBT开关切换损耗，吴道屏并介绍”双脉冲信号测试”(Double Pulse Testing)构架，采用2个不同脉冲宽度的功率半导体脉冲作为驱动，以电感负载测试其动态切换与反向恢复等特性参数，并调整第一个脉冲宽度，以取得所需的开关电流值。
这些参数的测量采用一般示波器功能即可，但工程师必须熟悉示波器的操作并了解电流原理。为此，Tektronix推出宽带隙验证解决方案，包括5系列B混合信号示波器(MSO)、探棒、DC电源闸极驱动器以及WBG-DPT自动化测试软件。
电流倍增技术满足处理器电源需求
随着数据中心的处理器(GPU/CPU/NPU)性能提升，其所需的电流骤增，导致电流传输网络(PDN)损耗增加——即板上阻抗对电流影响大。此外，随着半导体制程进步，工作电压逐渐降低(从1V降至0.75~0.8V)，从而增加了设计的困难度。
针对PDN损耗问题，Vicor应用工程师谢孟轩指出，如同通信传输中机房到客户端的概念，在板上传输电流到处理器的这”最后一厘米”(last inch)，正成为近年来持续受关注的电源设计重点。
图5：PDN损耗——电流传输到处理器的”最后一厘米”(last inch)，正成为电源设计关注重点。(来源：Vicor)
以数据中心来看，当GPU/CPU信号的电流高达1000A时，连接器与板布局将显著影响设计，在PCB端低于400µΩ的阻抗也会对0.8V输出造成50%的损耗。为了提升系统效率，必须缩短转换器与处理器之间的距离，以减小阻抗。
为此，Vicor针对传统电源构架支持的稳压、隔离与电流功能，基于其分比式电源构架(Factorized Power Architecture)提出了预稳压模块(PRM)以及变压模块(VTM)电流倍增技术。
据谢孟轩介绍：”当处理器需要增加电流时，PRM可针对输出电压进行稳压，VTM则针对电压进行固定电压级的下降，其用途在于降低电压，提升电流。电压会从高压往下降至处理器要求的电压后，再向上提升电流，这一设计可望更加贴近处理器的位置。”例如，PRM可为48V输入电压产生30-50V的预稳压，使其达到非常稳定的电压状态，然后再透过VTM使其降至0.75V。
以离散元器件最佳化电源设计
好的离散式元器件亦有助于电源最佳设计。长期耕耘离散式元器件领域的Vishay Intertechnology持续透过并购以补强其产品组合，广泛涵盖RLC二极管、MOSFET和光学元器件等。
Vishay产品应用工程师林军筑介绍，基本的离散式元器件可实现系统的”基本”功能，好的可以解决关键问题，优异的则有助于系统的稳定性，特别是针对追求稳定可靠的汽车应用。
从产品应用来看，车用无线充电、驱动马达逆变器以及供热系统都搭载DC Link电容器(如MKP1848Se薄膜电容)，它必须具备高电压、高温度、瞬态电流支持、DI/DT功能、可靠性须符合车规。
太阳能(PV)逆变器中则需要使用关键电阻。林军筑说，PV面板堆叠(如额定达700Vdc)后经过变电转换再并入市电进行DC转AC。在此过程中随着阳光照射强度与角度，以及为了并入市电的安全，都需要侦测各节点上不稳定的高电压与电流。针对这一类需要高压侦测的应用，着重于精准度以及减少元器件数量，他建议可以采用不同于传统堆叠6颗电阻的作法，例如使用其CRxV系列高电压厚膜电阻，仅一颗元器件即可完成高压检测作业。
图6：可用于PV逆变器的关键电阻：高压厚膜电阻、高压厚模电阻分压器、电流感测电阻与电阻分流器等。(来源：Vishay Intertechnology)
电感器的关键在于铁粉配方。因此，林军筑说，理想的电源设计中所采用的电感器，”我们希望它的饱和电流高、尺寸小且其直流电阻(DCR)和EMI越低越好。”例如，相较于铁氧体(Ferrite)电感，Vishay泛用型IHLP系列电感的优势在于其达到饱和点时的电感值不会骤降，可避免造成大电流损坏电感或MOSFET。
高功率密度PSU当道GaN当仁不让
在模块电源(PSU)方面，为了符合环保需求，具备高功率密度已成必然的趋势，然而要如何让相关产品能够达到高功率密度，又能维持较佳的性能?德州仪器(TI)资深应用工程师Peter Wang以模块电源为例进一步说明。
Wang表示，在宽带隙半导体问世之前，硅功率半导体一直是电源市场的主流。不过，硅元器件在一些使用情境上已出现瓶颈，因此氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)开始在高频、高压市场中崭露头角。若设计师要选择合适的功率元器件，可从额定功率与频率的高低来选择。
以模块电源为例，其体积小、功率密度高，GaN FET元器件是较佳的选择。因相较于硅FET，GaN FET具备低CG、QG，因此损耗少;且低COSS、QOSS，让GaN FET的开关损耗也相对较低;不仅如此，低RDSON等于较低的传导损耗。更重要的是，零QRR可让整个系统免去本体二极管的使用，进而减少EMI、开关节点的振铃现象。
图7：GaN FET元器件关键优势。(来源：德州仪器)
而为了让数据中心服务器可以更加节能、符合欧盟环保钛星级规格的要求，能量转换效率、更高的功率密度都成为对PSU的新需求。Wang指出，为符合欧盟规范，系统须采用图腾柱构架，以及半桥效率须达到96%，此时唯GaN不可。这是由于，GaN可实现图腾柱无桥PFC等高效拓扑、工作频率比硅元器件高2~4倍，可整合磁性元器件…因此未来小体积、高功率密度的PSU使用GAN元器件已成必然。
高效精准测量避免电源元器件损耗
人们生活中的大小电子设备不断增加，这也意味着所耗的电量越来越多。品勋科技技术经理曾国钧表示，不只人们的生活需要许多电子设备，工厂、交通等商业环境更是需要电子设备，所以全球的用电量也因而急剧升高，若是设计师在开发产品时，能够预先考虑产品功耗的问题，应能开发出符合节能环保需求的产品。
要如何在开发过程得知产品的功耗?当然要依靠测量设备。曾国钧指出，电源设备应用的测试挑战包括实现高功率输出、用于裕度测试的变化电压/电流、动态电流捕获、效率测试、电力回收、以及电池模拟、分析、回收利用等，设计师须进行相应的测试。
图8：电池回收再利用已成为现今产品是否达到节能环保的指标之一，进行相关测试时，需选择能够记录每个电池组周期效果、自动充电和放电循环状况…等测试设备。(来源：品勋科技)
举例来说，100kW的基本老化、高功率输出测试方面，产品不可采用抽测的方式，必须每台产品都经过测量，测试设备不仅要一次能测多台被测设备，还需要提供稳定的电流，且更需考虑安全性的问题。若是一不小心未做到所有仪器的最佳串/并联，测试系统就可能崩溃，造成人力、物力上的损失。曾国钧强调，若有一台仪器可以自动且安全的串接全部测试设备，上述问题将可迎刃而解。因此无论是要解决何种电子设备、功率元器件，甚至电池的测试挑战，高效、精准、便利的仪器，将是产品开发商不可或缺的工具。
如何在电力电子革命中启用MHz开关
要达到碳中和目标，电力行业必须进入第二次革命。Navitas台湾区电源应用技术经理黄伟程说明，所谓的电力第二次革命，是指开关工作频率从100kHz升级到1MHz，既有的硅器件已无法应对1MHz工作频率的需求，促使拥有较高开关速度和效率的新GaN功率元器件的应用。
图9：未来10年开关/工作频率的变化与演进。(来源：Navitas)
就Navitas观察，GaN可定位成移动设备充电的未来。黄伟程解释，相较于硅，GaN在能源效率与节能上有更好的表现，还有更高的可靠度，因此在移动设备充电器迈向超快充、小体积时，可工作在高频、转换效率高、且无需外部隔离元器件的GaN功率IC能够满足市场期望。
虽然目前GaN功率元器件的成本仍较高，不过随着绿能减碳的需求高涨，以及，USB-IF已发布240W USB PD3.1规范，宣告移动充电将过渡到更高功率，因此智能手机、移动设备开发商，也已开始注意到GaN功率IC的优势，进而在其充电器中导入GaN IC。因此在设计人员的努力与市场需求趋动下，Navitas认为，在65W以下的应用中，GaN系统的甜蜜点可望在2024~2025年出现。
高整合芯片组让产品节能更有感
主营开关产品，甚至专精高压开关领域的Power Integrations，在面对电力系统迈向高压的同时，也以高整合的芯片组助力终端电子产品有更好的能效表现。该公司资深FAE范顺程表示，将LLC和同步整流及精准的二次控制整合的晶片组可减少40%的元器件，将空载输入功率降低至<50mW，且可透过二次侧SR控制提高工作可靠性，从而提高LLC转换器实际性能，LLC Stage在120kHz条件下，效率可达97%。
图10：HiperLCS-2晶片组将LLC和同步整流与精准的二次侧控制整合到单一芯片。(来源：Power Integrations)
此外，Power Integrations的高整合晶片组采用薄型SMD封装，可以省去散热片，输出功率却可达到220W，从而适用于容量受限的应用。范顺程认为，透过Power Integrations长时间累积的技术能力，使得高整合晶片组可在线性电压和负载范围内实现最高效率——在90kHz条件下的效率超过98.1%;并具备优异的瞬时响应、无载功率低于50mW、无需偏压供电，以及在轻载时提升效率…等特性，因此可用于包括电脑和电视显示器、电动自行车等多种应用。
USB Type-C PD一统充电接口江山
在关注功率半导体元器件如何让产品更加节能的同时，也需要注意了解充电接口的效率与发展，如此能够减少电子垃圾，且更高的充电效率，也能减少电力损耗。目前，各品牌在各种消费电子产品中(如PC、手机、平板电脑…等)，都有着各自不同的充电接口，如USB Type-C、Lightning、micro-USB…等，造成许多消费者需要使用一堆充电线，且在汰换掉旧设备后，原本的充电线可能就已无法使用。
来自立锜科技的朱庆升指出，上述的现象在欧盟最新的立法中，已有解方;根据欧盟新的法规，小型电子产品充电接口接将统一为USB Type-C，且未来几个月，欧盟也将宣布笔记本电脑充电接口也将统一使用USB Type-C，预计2024年将强制执行。这意味着，未来要销售至欧盟地区的小型消费类电子设备，充电接口只能采用USB Type-C规格。
现阶段5V、100mA的设备已开始用USB Type-C PD标准作为充电接口，不仅如此，市场上也有越来越多支持USB Type-C PD的充电产品往高密度、小体积迈进。朱庆升认为，USB Type-C PD已成为未来大一统小型消费类电子与笔记本电脑等产品的充电接口，随着USB Type-C PD 3.1版已达48V、240W规格，USB Type-C PD覆盖的应用领域将会越来越广。
图11：USB Type-C PD各版本标准发展里程碑。(来源：立锜科技)
硅、GaN、SiC将三分天下
因为节能减碳议题促使高压、高频应用越来越多，也使得市场将众多目光焦点转向宽带隙半导体，但硅电子电子元器件就将因此在市场销声匿迹吗?答案是是否定的。英飞凌科技(大中华区)电源与感测系统事业部协理陈志星表示，宽带隙半导体目前多用于电动车、工业、再生能源、数据中心等高频、高压、高功率密度的应用，消费类电子领域中，对于电压的需求不高，且须兼顾成本时，硅电力电子元器件，如硅IGBT、MOSFET，仍有其发挥的空间。
图12：硅、GaN、SiC最佳适用频率和功率分布图。(来源：英飞凌)
因此，硅、GaN、SiC各有其特性，因此也各有其适合的应用范围，将视产品所需而定。陈志星认为，硅功率元器件可持续最佳化成本，这将是其最大的优势;需要高频、无源元器件少、小尺寸、高功率密度的应用，则是GaN的天下;而650~1200V高压、需易于开关应用，SiC自然是最佳的选择。可以说，即使宽带隙元器件未来有机会实现成本降低，要完全取代硅MOSFET、IGBT也是不太可能的。硅、GaN、SiC功率元器件将共同存在于市场。
作者：Susan Hong、Anthea Chuang


END

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