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超接面MOSFET技術助攻 固態繼電器/斷路器大有可為

機電/固態式繼電與斷路器特性比較 作為討論基礎,建議先理解機電式繼電器或電路斷路器,並瞭解固態繼電器/電路斷路器的發展情形。機電解決方案產生的噪音是伴隨繼電器運用電磁效應與高速移動的金屬接點相吸/互斥的物理特性而來。其中的機械運動量可視為故障原因,實際運作上也確實是如此,但主要的疲乏部位很可能位於接點表面,因為接點傳導高電壓時逐漸彼此接近,讓產生的電弧能夠跳躍氣隙,之後接點才完全接觸。若接點被迫斷開,也會出現相同現象。在此應特別注意,致動時接點不論AC或DC都會出現電壓。以AC電壓而言,若未採用零電壓切換,則每次繼電器啟動時,很可能都會出現電弧。如此一來,接點會快速退化,甚至彼此熔合。即使在一般的使用情況下,接點間的電阻很可能會隨時間與使用量而上升,產生無法預測的行為。最後,因使用與磨耗持續造成的疲乏很可能會導致故障,限制了製造商的裝置使用壽命。 圖1 機電式繼電器的接點磨耗 以此類推,機電式繼電器也可能像低電壓切換器一樣,面臨接點彈跳的問題,但切換高電壓時,更不容易實作反彈跳。另一方面,固態切換器通常會實作零電壓切換,確保裝置在電壓,或很可能與電壓異相的電流最低時才開始傳導,即使採用DC電壓與電流,固態切換器的導通時間也較容易控制。採用目的是避免可能造成其他系統問題的湧浪電流,但最直接的影響是繼電器或電路斷路器在整個使用過程中變得更加可靠,當然使用壽命也會比機電式更長久。 基於成本、效能與功能的主要考量,工程師仍舊偏愛機電式。以成本而言,固態繼電器或電路斷路器在價格上確實較機電式高。但若考量應用的整個使用壽命,以及功能相關的維護、修復及運作(MRO)成本,則固態元件可能更占上風。主因在於以預期使用壽命衡量整體系統成本來看,機電式繼電器的運作使用壽命約落在數十萬次,但固態繼電器的使用壽命可達上千萬次。 此外,業界提供的這兩種技術價格落差正逐漸縮小。雖然機電式元件出現一些創意設計,但只是維持了平均售價,實際上更是增加售價。同時,固態解決方案的平均售價則是逐漸下滑。效能方面,傳導路徑的電阻所產生的功率耗損是最常參考的參數。以機電裝置為例,此電阻初始值很低,但終究會隨時間上升,原因如上所述。若是固態解決方案,功率損耗程度則與導通電阻直接相關。導通電阻取決於所用之半導體類型及功率電晶體之通道大小,而這兩個特性都會影響成本。雖然導通電阻通常不隨裝置的使用壽命而改變,但其為有限電阻,必須依照設計要求調整。理想中,傳導損耗及半導體成本應愈低愈好,可以按照數據進行統計,也就是導通電阻乘以面積 (RDS(on)×A)(圖2)。此為半導體製造商的關注焦點,如英飛凌(Infenion)也已經藉由自身的CoolMOS技術平台解決部分問題。 圖2 超接面 MOSFET的RDS(on)×A隨時間提升 安全疑慮是另一個考量。固態解決方案的切換速度較機電裝置快上許多,因為元件都不會移動。雖然更快的回應時間是一項優勢,但缺點則是輸入與輸出間並未提供物理性斷電。由於許多應用可能需要人為接觸機器,因此安全法規中,必須明訂高電壓輸入與輸出間的電氣隔離規範。實作電氣隔離最常見的方式就是採用氣隙,或是在傳導元件之間實際保留空間。如此一來,固態技術仍有一項缺陷,但這卻催生混合式電路斷路器或繼電器的概念,亦即使用固態裝置來切換高電壓,再運用體積較小、成本較低的機電式繼電器在輸出端提供電氣隔離,此時沒有電壓也可進行切換,進而延長有效使用壽命。與此同時,也有許多應用不需要電氣隔離。此外,電路斷路器目前適用的法規仍以機電裝置為依據,並未完整考量固態方案的優異效能。一旦法規制定趕上技術發展的腳步,電氣隔離的要求很可能就會視應用而異,不再如此嚴苛。 超接面MOSFET突破耗損限制 實作固態切換器所使用的電晶體,是採用半導體基板。如今最廣泛使用的基板材料為矽,但電晶體組態則各有不同。以AC切換,尤其是實作零電壓切換而言,通常偏好三端雙向交流開關(Triac)或矽控整流器(SCR)裝置。平面拓撲內建構的MOSFET普遍用於切換DC電壓,而IGBT則同時用於AC及DC切換器。然而,如同前述說明,這些方法都會因通道的導通電阻而造成損耗,額外產生必須逸散的熱能,如此一來就必須增加空間與物料清單來納入散熱片。 超接面MOSFET則不受限於以單一p-n接面為基礎的平面製程,而是採用多個垂直p-n接面的結構。因此,導通電阻會散布至多個並聯路徑上,降低整體導通電阻。英飛凌自1990年代起就是超接面MOSFET的開發者,且持續研發這項技術。相較於其他電晶體拓撲,此技術具優勢,尤其是導通電阻乘以面積的數值表現良好。如此一來,損耗就會相對降低,也能用在需切換高電壓與電流的應用,毋須採取散熱措施。透過英飛凌的CoolMOS 7技術,可望進一步降低RDS(on)×A,同時成功將切換損耗轉換為更低的導通電阻。此特性在固態繼電器與電路斷路器應用中所帶來的效能,能夠滿足使用者需求,因為繼電器和電路斷路器的切換頻率並不高。 MOSFET平台帶動固態繼電器/電路斷路器發展 在繼電器或混合式電路斷路器內使用固態裝置有多項優點,包括大幅加速切換時間、消弭機電裝置會產生的電弧與噪音,而且元件本身將更為可靠且可預測,同時拉長使用壽命。英飛凌在CoolMOS 7解決方案等領域的研發正努力改善弱點,以打破傳統使用上的限制。另一方面,新的超接面MOSFET平台突破固態繼電器與智慧型電路斷路器的設計,將RDS(on)×A的係數降到新低,價位也能夠滿足設計人員與終端市場的需求。此外,固態繼電器遠小於機電繼電器,體積可減少超過95%(圖3)。在電源領域中,英飛凌的超接面MOSFET只是眾多滿足創新需求的產品之一。固態繼電器與固態電路斷路器的可行性因CoolMOS 7等的發展正逐漸上升。 圖3 固態繼電器的體積大幅縮小 (本文作者為英飛凌科技產品行銷經理)
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BJT/MOSFET低頻雜訊最佳化 DC-DC開關轉換量測有一套

電源供應的雜訊程度是鎖相迴路(Phase-Locked Loops, PLLs)、壓控振盪器(Voltage-Controlled Oscillators, VCO)、類比-數位轉換器(Analog-to-Digital Converters, ADC)和放大器等零組件的重要性能指標。 在電信網路中,與射頻(Radio Frequency, RF)訊號混合期間,從本機振盪器(Local Oscillator)和放大器的電源注入到中頻(Intermediate Frequency, IF)的低頻雜訊的增頻與變頻導致中頻(IF)的兩側形成頻帶,產生了更高的相位雜訊。在偵測數位調變訊號時,相位雜訊增加了均方根(Root-Mean-Square, RMS)相位誤差,而限制了網路的性能。本文解釋了雙極型接面電晶體(Bipolar Junction Transistors, BJT)、金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFET)和電阻器中的低頻雜訊來源,以及這種雜訊如何傳遞(Propagate)到DC-DC轉換器的輸出電壓。此外,本文還介紹了一種用於量測DC-DC轉換器輸出電壓的低頻雜訊頻譜的設置,並使用該設置將低頻雜訊最佳化的DC-DC轉換器的雜訊頻譜與標準DC-DC轉換器進行比較。 低頻雜訊類型多 積體電路(IC)有不同類型的雜訊,包括閃爍雜訊(Flicker Noise)、熱雜訊(Thermal Noise)、射擊雜訊(Shot Noise)、突發雜訊(Popcorn Noise)和產生複合雜訊(Generation-Recombination...
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