- Advertisement -
首頁 標籤 MOSFET

MOSFET

- Advertisment -

導通/切換損失雙降 切換式電源待機功耗再進化

隨著全球暖化日益嚴重與節能減碳呼聲高漲之際,人們也從開發新能源以及提高能源使用效率方面來著手因應,相關之節能法規也應運而生,例如能源之星認證項目、歐盟節能化設計指令,制定各式產品能源效率標準,表1為歐盟委員會所制定在不同輸出功率與方式之空載功率損耗規範。電子設備製造商發展的節能產品,必須遵循國際認證標準,促使電子產品朝向更節能的方向發展,如此也是提高能源利用效率的有效途徑。 對於電子產品電源設計的要求,除了滿足符合各個額定負載效率標準之外,空載與待機功耗也顯得益發重要,因為許多的用電設備大部分時間都工作在極輕載或待機狀態,例如:電視、個人電腦及螢幕等應用,若是每一個電子裝置的待機功率可以省下0.1~0.5W,這些閒置裝置就可以省下相當於數十個發電廠的每年發電量。 本文將探討如何降低切換式電源(Switching Mode Power Supply)的待機功耗,最後並舉一實際設計案例解說。 如何降低待機功耗 所謂待機功耗是指電子裝置在關閉時或處於待機模式時消耗的電能,或是處於最低功率模式下所使用的功率。一般電子裝置的輔助電源最常用的是返馳式拓樸架構,如何降低電子裝置的待機功耗,最有效的方式就是減少其在待機時的導通與切換損失。 在導通損失方面: 1.適當設計輸入端的共模電感的線徑與匝數,在抑制共模雜訊時,可以同時兼顧到將共模電感的導通損失降到最低。 2.選擇適當熱敏電阻的阻值,以避免其內阻的導通損耗。 3.於設計規格中的啟動時間之內,選擇合適的啟動電阻值,或者是選用內建啟動單元的IC。 4.有些控制器雖然在待機時降低切換頻率,來減少切換損耗,但是變壓器線組的導通損耗仍然不可忽視,線圈的圈數與線徑之適當選擇,對於線圈的線阻損失可以有效降低。 5.一次側Vcc輔助繞組的圈數與線路,適當地設計於各種負載條件之下,除了提供穩定正常工作的Vcc,並且能夠將Vcc輔助繞組線路的導通損耗降至最低,若是Vcc不足時,IC會進入反覆啟動狀態,頻繁的需要高壓給Vcc電容充電,造成啟動電路損耗。 6.其次,二次側回授控制線路TL431周遭的電阻,適當地設計在使整個控制線路正常工作之下,將偏壓與分壓線路的電流損失降低,並且選擇高CTR的光耦合器。 7.選擇低耗電TL431其typical IKA為50uA如表2(a)所示,與一般TL431其typical IAK為0.4mA如表2(b)所示,兩者的耗電就差了8倍,藉由使用低耗電之TL431,將圖1之R23電阻放大可以減少二次側TL431損耗。 8.在切換損失方面,RCD在緩衝(Snubber)電路中,可以使用齊納二極體來取代RC。 9.變壓器的層間雜散電容會造成額外的切換損失,可以在層與層之間加絕緣膠帶來降低層間的電容效應。 10.減少一次側回授訊號腳位的並聯電容值。 11.選擇使用雜散電容與Qg較小的MOSFET。 12.加大輸出電容以增加維持時間,拉大叢發模式(Burst Mode)的週期時間,以減少叢發的切換次數,以上所建議的方法總結於圖1所示。 除了外部零件值的調整之外,在控制器本身方面,對於降低輕載功耗,常見的方法為降低切換頻率、關斷時間調制(Off Time Modulation),以及叢發模式。另外,盡量選擇靜態電流較小的IC,因為這對於大多數時間處於休眠模式或低功耗模式的應用尤其重要。 電源設計範例解說 本文以一個120W電視電源演示板為設計範例解說,電路板之主要控制IC為IDP2308,此IC為一結合PFC與LLC的整合式數位控制器,具有內建的啟動單元 (600V Start Up Cell),當Vcc電壓建立到一定的準位後,此一啟動單元會關斷啟動迴路,避免啟動電阻的導通損耗,此外,啟動單元迴路兼具X-cap放電功能,以省掉外接型IC的功率損耗,如圖2所示。 另外,在輕或空載時,控制器會進入叢發模式,以降低切換損失,由於IDP2308是數位IC,具有提供使用者彈性設計的便利性,使用者可以經由參數的調整來優化整體電路的行為,達到所需要符合的規範,演示板線路如圖3所示;演示板規格如下表3所示: 如圖4所示,以下詳細解說IDP2308在叢發模式時的動作行為,當進入待機模式時,主要監控HBFB腳位的電壓準位,來決定叢發模式的運作,當HBFB的電壓上升至Vburst_on,IC會被喚醒而啟動叢發的切換,在LLC完成一個完整的叢發切換,IC就會停止切換然後進入睡眠模式以節省功率損耗。影響待機功耗的主要參數列於表4,其中有叢發模式中的啟動頻率、切換頻率、結束頻率、PFC Bulk電壓以及軟啟動與軟結束的階數多寡。 使用者可以自行調整在LLC之叢發模式中的三個部份: 1.設定較高的啟動切換頻率,預設值為200KHz,軟啟動設定為4階,每32us降一階,目的是減少每一叢發模式控制的啟動突衝電流,降低功率損耗,同時可以抑制異音雜訊。 2.其次設定一較低的切換頻率,預設值為130KHz,以達到最低待機功率與維持二次側輸出電壓的穩定。 3.最後再採用較高的結束切換頻率,預設值為200KHz,軟結束設定為4階,每32us升一階,用於達到抑制異音雜訊。在PFC方面,可以經由參數設定降低PFC bulk的工作電壓準位,來減少切換損耗。 除了參數的設定之外,外部零件值的調整,例如:LLC變壓器的主感Lp、LLC Bootstrap電容及諧振電容的材料,也會對異音與待機功耗有所影響。 經由以上的參數設定與外部零件調整,可以降低叢發模式時LLC的諧振電流,如圖5所示,最後的實驗結果,除了能夠符合小於0.3W待機功耗規範,並且達到極低異音的要求標準,以及維持系統輸出電壓穩定的設計目標。 數位控制器提高操作效率 本文介紹了電子設備電源的待機功耗及其規範,詳細剖析建議的解決設計方案,並且探討實際設計案例,除了一般使用者常用的對策,例如外部零件的調整與選用等方式之外,藉由數位控制器的參數設定調整也是解決之道之一。 一個好的電源設計,除了提供基本電子設備正常的運作之外,也可以減少系統的功率損耗,提高整體操作效率,另外,透過採用合適的數位控制器來做設計,進而減少外部元件的使用數量,節省整體系統的物料成本。 (本文作者為台灣英飛凌科技首席工程師)
0

羅姆小型車電MOSFET亮相 強化散熱/安裝可靠性

半導體製造商羅姆(ROHM)研發出符合汽車電子產品可靠性標準AEC-Q1011,尺寸僅為1.0mm×1.0mm的小型MOSFET「RV8C010UN」「RV8L002SN」「BSS84X」。 新產品採用ROHM獨創的Wettable Flank成型技術2,以1.0mm×1.0mm的小尺寸,確保了封裝側面電極部分的高度可達125μm。在要求高品質的車電應用上,安裝重要元件後會進行自動光學檢查(以下簡稱AOI3),打造出了非常出色的焊接可靠性。此外,通常小型化和高散熱性之間存在著取捨(Trade-off)關係,而採用底部電極結構的新封裝同時兼顧了兩者,因此非常適用於電路板有高密度需求的車電ECU和先進駕駛輔助系統(ADAS)等相關應用。 近年來,隨著汽車電子化加速,汽車中使用的電子元件和半導體元件數量也呈現增加趨勢。因此,必須要在有限的空間裡安裝更多元件,使安裝密度也能夠越來越高。例如1個車電ECU中的半導體和積層陶瓷電容的平均使用數量,預計將從2019年的186個,增加約三成至2025年的230個。為了滿足安裝密度越來越高的車電應用需求,市場對於元件體積的要求也越來越高,因此能夠兼顧小型化和高散熱性的底部電極封裝產品逐漸受到青睞。 另一方面,為了確保車電元件的可靠性,雖然安裝元件後會進行AOI,但由於底部電極封裝只在底部有電極,故無法仔細確認焊接狀態,要進行符合車電標準的AOI會有一定難度。
0

EPC新推100V eGaNFET產品 力助車載娛樂/雷達系統革新

增強型矽基氮化鎵(eGaN)功率場效應電晶體和積體電路商宜普電源轉換公司(EPC)最新推出的兩款100V eGaN FET(EPC2218及EPC2204),性能更高並且成本更低,可立即供貨。採用這些先進氮化鎵元件的應用非常廣,包括同步整流器、D類音訊放大器、汽車資訊娛樂系統、DC/DC轉換器(硬開關和諧振式)和面向全自動駕駛車輛、機械人及無人機的雷射雷達系統。 EPC2218(3.2 mΩ、231 Apulsed)和EPC2204(6 mΩ、125 Apulsed)比前代eGaN FET的導通電阻降低了接近20%及提高了額定直流功率。與基準矽元件相比,這兩款氮化鎵元件的性能更高。 EPC2204的導通電阻降低了25,但尺寸卻縮小了3倍。與基準矽MOSFET元件相比,其閘極電荷(QG)小超過50%,並且與所有eGaN FET一樣,沒有反向恢復電荷(QRR),進而使得D類音訊放大器可以實現更低的失真和更高效的同步整流器和馬達控制器。 EPC首席執行長兼共同創辦人Alex Lidow表示,大家預計最新一代且性能優越的100V eGaN FET的價格更高。但這些最先進的100V電晶體的價格与等效老化元件相近。該公司為設計工程師提供的氮化鎵元件的優勢是性能更高、尺寸更小、散熱效率更高且成本相近。氮化鎵元件正在加速替代功率MOSFET元件。
0

羅姆新VCSEL模組提高空間識別/測距雷射光源輸出功率

半導體製造商羅姆(ROHM)研發出全新VCSEL模組技術,透過雷射光源中VCSEL的輸出功率的提升,實現了空間識別和測距系統(TOF系統)的高精度化。 傳統採用VCSEL的雷射光源中,作為光源的VCSEL產品和用來驅動光源的MOSFET產品在電路板上皆是個別安裝的。在這種情況下,產品之間的布線長度(寄生電感)會影響到光源的驅動時間和輸出功率,因此將為高精度感測所需的短脈衝大功率光源帶來了局限性。 本次,ROHM將新VCSEL元件和MOSFET元件集中於單一模組封裝中,縮短元件間布線長度,可充分發揮各元件的性能,若使用不易受到陽光等外部干擾的光源短脈衝(10nS以內)來驅動,輸出功率也比傳統產品提升約30%。 事實上在評估時發現,採用由雷射光源(VCSEL模組)、TOF感測器(圖像感測器等感光感測器)、控制IC等,所組成的空間識別測距系統的VCSEL模組,對TOF感測器的反射光量比傳統產品增加了約30%,這將有助於提高TOF系統精度。 該VCSEL模組適用於需要高精度感測的行動裝置人臉識別系統,以及工控裝置 無人搬運車(AGV)等領域,產品預計於2021年3月之前推出。另外ROHM也正在進行高輸出雷射技術的研發,以滿足車電用LiDAR等市場需求。 近年來,在智慧手機的人臉識別系統和平板電腦的空間識別系統中,已開始將VCSEL作為雷射光源來使用,使其應用迅速普及。包括工控領域AGV和透過手勢、形狀識別的檢查系統應用也越來越普遍,預計未來VCSEL的需求將會大幅增加。 其中,在自動化相關應用中,需要光源可達成短脈衝驅動及更高輸出功率,以更進一步提升感測的精度。 ROHM為了提升量產中VCSEL產品的輸出功率,研發出全新VCSEL模組技術。同時透過短脈衝驅動和高輸出功率,進一步提升空間識別和測距系統精度。
0

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)
0

建置成本/節能利用最佳化 資料中心功秏/效率錙銖必較

然而,最終用戶要著眼大局,更關心整個系統或製程在遵守環境義務的同時,能夠盈利的效率。他們明白,倘若所有生命週期成本都計入其中,在功率轉換過程的一個小要素,即便非常專注於降低其損耗並不一定會導致明顯整體成本節省或環境效益。 另一層面,將更多電源轉換裝置整合到更小體積(增大其「功率密度」),可以更高效地利用工廠或資料中心的占地面積,並利用現有資源和成本實現更多產出。 本文將研究相較增大功率密度和提高系統效率,提高功率密度百分點在節能、購置/處置成本和機櫃/占地面積利用率等層面的實際成本。 製造商藉提高效率 降低營運壓力 在功率電子的世界,效率是一個容易概念化的術語,100%效率為好,而0%為壞。但是,讀者必須仔細設置自身的參考基準。資料中心整體電氣效率接近0%,從電網提取的所有功率幾乎都轉換為伺服器葉片、電源和冷卻系統中電子元件中的熱量。然後,將電力的美金價值轉換為美金收入可能是1,000%的效率,大多數行業都是如此,這是所有人的期望,否則,如果讀者想節省成本和挽救地球,同時也要賺錢,真正問題是如何最小化總功耗,同時以最大限度提高生產力。 資料中心管理者完全知曉這些,他們需要面對日常壓力來提高資料處理能力和速度,同時保持盡可能低電費,並從資本投資中獲得回報。他們別無選擇,只能以增加數千瓦的功率耗散來添加伺服器,但可以演算容量增大帶來的附加價值抵消額外能源和資本成本。在工業領域,如果需要另一台100kW馬達,並用於生產更多可銷售產出,馬達驅動及其電源則是不可迴避之開銷。在所有產業中,電源是一種必須的罪惡之物,本身不會增加商業價值,其耗費的營運成本和功率都被視為降低了利潤。因此,焦點自然而然地會將注意力轉向功率電子製造商,他們需要承擔透過提高電氣效率來減少損耗的壓力。 拓撲架構重新設計以實現零損耗 功率轉換效率似乎很容易定義,人們都可以引用公式「輸出功率除輸入功率之百分比」,兩者之間差值為功率轉換器消散的熱量。問題是,如果不涉及功率水準,以及它們如何隨操作和環境條件而變化,而將效率作為轉換器比較參數,此時效率沒有任何意義。往往這會導致一些「創造性」規格,挑選出其中亮點,以展現裝置最好的部分。很少有轉換器在接近其最大額定功率時操作,因此效率通常設定為在最大額定負載50~75%左右達到峰值,並且某些曲線必須在零負載時降至零效率。在輕負載時轉換器設計可能存在高不確定性,因此在待機條件下電源功耗可能會比其他電源多一倍(圖1)。負載為5%時,A線表示轉換器功耗是B線的三倍以上,因此輕負載功耗對總能量消耗有顯著影響。 圖1 輕載時效率在同類功率轉換器之間差異很大 幸運的是,業內有一些標準可以用來規定效率曲線形狀,例如具有不同級別的「80 PLUS計畫」中,「鈦」級為最高,要求在50%負載時具備最低94%效率,在10%負載時最低90%效率,這些是用於115V系統的效率,對於230V系統,上述參數分別是96%和90%(圖2)。 圖2 80-PLUS計畫的效率目標—115V系統 這些限制很難實現。在2004年構想80 PLUS認證計畫時,在50%負載下實現最低水準80%效率已經足夠困難,但是要達到94%的鈦級則意謂著需要減少電源四分之三的損耗。效率僅提高14%,而額定功率為千瓦級的電源必須將損耗從250W降低到64W,這不能透過對現有設計進行微調來實現,因此必須對轉換器拓撲架構進行徹底重新考量。不再使用傳統二極體,轉而採用同步驅動MOSFET,相移全橋和LLC諧振拓撲架構等技術都被用來限制開關轉換期間的損耗,並且出現諸如SiC和GaN等全新半導體技術,以實現更快的開關速度但不會造成功耗損失。即便是不在市電的低階橋式整流器也已經演變成MOSFET的混合布置,這構成功率因數校正電路必要的部分。這些都需要一定成本,也有採用新技術帶來的風險。即便如此,從供需角度看,客戶和電源製造商要求在螺旋式上升,以實現更高效率,達到99%甚至更高。 追求高效率而降損耗所費不貲 隨著功率轉換效率接近100%,提高效率的難度成倍增加。從97%到98%意謂著損耗減少了三分之一,從98%到99%意謂著將損耗減少一半。在任何轉換器設計中,將損耗降低50%可能會要求設計從頭重新開始,使用更複雜的技術和更昂貴的元件是唯一途徑,而這通常是以犧牲尺寸為代價。1kW電源效率為98%時,僅消耗20.4W功率(圖3)。而要花費多少努力才能使損耗達到10.1W,使效率提高到99%?考量一下1kW的負載,將效率提高1%僅僅可以節省10.1W,但這需要多少設計工作量? 圖3 1kW功率轉換器中的損耗與效率 當然,所有節能都值得珍惜,但是更需要放寬眼界。在美國,工業用電平均價格約為每千瓦小時7美分。如果以1kW電源壽命為例,在100%正常執行時間下可操作5年或大約44,000小時,減少10.1W損耗可以節省大約31美元,而負載功率的成本超過3,100美元。更換電源會導致擁有成本、購買和鑑定費用、安裝成本以及通常與數百個元件、包裝和運輸相關的碳足跡。然後是舊裝置的處置成本,以及新尖端產品的功能風險。假設上一代電源可靠性仍然足夠,那麼與保留舊產品相較,很難看出這些相關成本與31美元的節省相比如何抵消。單純為了效率參數而追求更高效率可能是一項成本高昂的事情。 裝置縮小尺寸提高功率密度 為了降低內部溫度並提高演算的壽命/可靠性,也許有必要提高功率轉換器效率,但這僅在外殼和冷卻保持不變情況下才有效。有一個古老的經驗法則,即電子元件溫度每升高10℃,其壽命就會縮短兩倍。而依據可靠性手冊,在溫度升高10℃時,半導體元件失效率將增加約25%,電容器失效率將增加約50%。但是現代電子產品極其可靠且經久耐用,因此這些都是相對於非常長使用壽命和高可靠性而言的百分比變化。例如,從歷史上講,功率電子裝置的冷卻設置目標,是將資料中心入口處的理想溫度保持在21℃左右,但是英特爾(Intel)和其他公司的研究表明,該溫度可以適當提高,但不會顯著影響系統可靠性。APC的一項報告引用了美國供熱和空調工程師協會(ASHRAE)的預測,當入口溫度從20℃升高至32℃(68℉至90℉)時,總體裝置故障率僅增加1.5倍(圖4)。據稱,資料中心額定操作溫度每升高1℉,就可以將相關冷卻成本降低約4%,因此減小主機殼尺寸,允許包括電源在內的裝置在更高溫度下操作,可以真正節省成本,同時還可以釋放機架空間。 圖4 裝置可靠性與入口溫度關係 使較小電源在更高溫度下操作的另一推動因素,是採用以SiC或GaN材料製成的寬能隙半導體。這些元件操作溫度額定值比矽元件高很多,特別是對於SiC,允許裸晶在高達數百℃溫度下操作。 功率轉換各方紛尋最佳解 功率轉換裝置供應商可能會以特定條件下的效率規格來互相競爭,但對最終用戶而言,重要的是其製程的生產率和盈利能力。當然,籍由減少能源消耗來節省成本是一件好事情,但是透過增加機櫃中或機架上裝置功率密度,並提高每單位體積的生產率而獲得成本節省可能更具吸引力。資料中心和製造設施中的地板空間具有「美元密度」,這是為貢獻一定收入所必須達到的貨幣價值,以千美元/平方英尺為度量,因此縮小電子裝置尺寸以提供更多生產空間是實際收益。如果這意謂著在生產需要擴展時提供完整的額外機櫃,則實現的短期和長期資金節省更多。 仰仗相關的功率轉換器可實現電子裝置更高功率密度,這些促使系統架構師將功率密度視為越來越重要的指標。但是,與端到端產品電氣效率不同,整個系統的功率密度不易比較,需要包括哪些內容?在典型工業機櫃中,可能有開關裝置、連接器、安裝在主機殼底座的EMI濾波器、生成中間電壓的AC-DC轉換器、大電流匯流排、負載本地處的DC-DC轉換器、風扇及其自身電源和安裝硬體,有時甚至可能包括空調裝置。在控制機櫃中,負載可能是獨立式,也可能是馬達,在這種狀況下,功率轉換裝置體積占整個空間很大一部分,任何空間尺寸的節省都意謂著可以容納更多控制電子裝置。但是,這樣回報會減少,因為添加額外裝置總會需要更多功率。控制櫃還可能受限於使用標準化硬體,如用於裝置安裝的DIN導軌,供應商推出了越來越窄小的產品,而輸入/輸出連接器尺寸的實際應用通常定義了其最小值。現在30W AC-DC寬度已減小到21mm左右,而480W裝置寬度大約為48mm(寬)×124mm(高)。機櫃中如果包括冷卻系統,其中可能包括一系列風扇,由於入口溫度不能確定,因此功率轉換器的額定溫度通常設為在高溫氣流下操作,且沒有主機殼散熱設置。這導致功率轉換密度值相對較低,每立方英寸可能為10到20W。 POL實現資料中心電源高功率轉換 在資料中心中,功率分配系統體系架構會嚴重影響功率密度。最新趨勢是透過每個伺服器刀鋒上的負載點(POL)轉換器提供48V背板匯流排,將電壓降低至IC電平,通常低於1V。分開來看,POL可以具有令人吃驚的功率密度,每立方英寸超過1kW,但需要大量散熱片或冷卻氣流才能正常操作。48V匯流排可以來自機架AC-DC轉換器,其功率密度可能僅為每立方英寸20W左右。或者可以從外部中央電源提供380V DC,並在機架中轉換為48V。具備直流電源後,不再有交流整流和功率因數校正電路損耗,該轉換器可以達到非常高的效率,並且每立方英寸功率密度再次超過1kW(需要足夠冷卻能力)。另一個優勢是,與每個機架中的AC-DC不同,能量可以集中儲存並用於電源損耗或電力不足,而AC-DC具有很大的內部儲能電容器,占用了寶貴空間。 與工業製造中機櫃不同,資料中心負載實際是刀鋒伺服器本身,因此每個機架內部消耗功率均超過10kW。倘若要求嚴格控制的高速氣流進行主動冷卻,並保持較低入口溫度,這對於功率轉換器來說是個好消息,而由於其效率很高,僅消耗了刀鋒伺服器一部分的功率,允許使用具備最少量外部散熱(如果需要)的POL和匯流排轉換器,進而保持較高的總功率密度。實際上,使刀鋒伺服器產生的熱量遠離功率轉換器成為一個主要的考量因素。 寬能隙技術提高功率密度 功率轉換器設計人員可以透過降低開關速度來提高效率,但這會導致必須採用過大被動元件,進而使機殼尺寸變大。複雜諧振轉換器拓撲允許更高運作頻率,實現低損耗,而SiC和GaN半導體元件的到來又結合了高速度和低損耗,再次改變了遊戲規則。它們在較高溫度下可靠的操作能力可以使轉換器封裝尺寸進一步減小,進而實現更高功率密度。 追逐功率轉換效率百分點是一場收益越來越小的遊戲,除非這種改進能夠導致更小產品尺寸,進而能夠為直接增加利潤的裝置留出空間。功率密度是轉換器一個很好參數,但是應該仔細比較,並包括系統中所有元素,可以預期,製造產業中機櫃和資料中心伺服器機架之間的功率密度差異會很大。 (本文作者任職於貿澤電子)
0

精簡電路設計/成本 碳化矽輔助電源驅動效率大增

實際上,碳化矽功率元件有多種優勢,包括由於溫度特性增強可提高功率密度和可靠性,可簡化電路設計以減少對外部元件的依賴,並且允許使用更小且成本更低的被動元件。筆者比較分別使用SiC和矽技術的輔助電源(圖1)反馳式轉換器的幾種設計,便可以看到如何在普通應用中發揮SiC的這些優勢。 圖1 輔助電源的位置和用途 圖片來源:羅姆 SiC具高穩定/低功耗特性 在功率半導體元件的製程中,SiC在價帶和導帶技術之間的能隙為3.2eV,這大約為普通矽的三倍。另外,其介電擊穿場強度大約為矽的10倍。這兩個特性共同賦予SiC元件優異的性能,包括更快的開關速度、更高的效率、更高的溫度穩定性以及更高的工作溫度上限。對於設備設計人員而言,這些特性有助於減少設備對散熱管理的需求,而不會損害可靠性。 SiC的擊穿場強度更高,使得MOSFET的漂移層可以薄得多,對於給定的擊穿電壓,其導通電阻RDS(ON)相對於晶片面積更低。為了在普通矽中實現高擊穿電壓,MOSFET具有更高的RDS(ON),進而導致更大的傳導損耗。SiC技術還允許較低的MOSFET閘極電荷(Qg),進而以較低的能量損耗實現更快的開關速度,同時具有低RDS(ON)和高擊穿電壓。 輔助電源設計挑戰待克服 太陽能變頻器、工業DC/DC轉換器、電池充電器等設備通常包含一個輔助電源單元,在主電源耗盡後為感測器模組和顯示器以及其他控制單元或驅動器等次系統供電(圖1)。為了簡化設計步驟,通常使用反馳式轉換器。來自次級側的反射電壓、最大關斷過衝和直流輸入電壓,使得主電源開關必須能夠承受最壞情況下的漏極和源極之間的電壓(圖2)。這些電壓的總和可能超過1300V。 圖2 分析反馳式轉換器中最壞情況的VDS 每種方法都有各自的優點和缺點,可以考慮採用多種設計方法來確保功率電晶體能夠承受在漏極和源極端子之間施加的最壞情形電壓。其中一個方法是選擇具有高擊穿電壓(例如1500V)的功率電晶體。然而,普通的矽高壓電晶體具有相對較高的導通電阻RDS(ON),因此會導致不良的傳導損耗和散熱,亦往往具有較高的閘極電荷,導致較高的驅動損耗以及較高的漏電流,特別是在高溫下。 另一種替代方法則是以串聯的方式連接一對800V矽MOSFET,這需要更複雜的閘極驅動電路,並且還需要電壓平衡電路。另外,兩個元件都需要散熱器,因此增加了占用的空間。還有一種解決方案是使用雙開關反馳式拓撲結構(圖3),但代價是電路更複雜。這需要隔離的閘極驅動器和電源來控制高端開關(圖4),並且同樣地每個元件都需要散熱器。 圖3 傳統的矽MOSFET可在雙開關反馳式轉換器中提供所需的電壓能力 圖4 輕載、中載和滿載時的MOSFET開關波形 除了上述方案,可以考慮採用具有1700V擊穿電壓和3.7A額定電流的單個SiC MOSFET元件如SCT2H12NZ,該元件結合了高擊穿電壓與低RDS(ON),其數值範圍是相近1500V矽MOSFET的二分之一到八分之一。另外,Qg和輸入電容大大降低,因此允許更高的開關頻率,進而可以使用更小的外部元件。此外,SiC能夠承受更高的工作溫度,進而降低了散熱需求。若允許單個FET反馳式電路,以最小的傳導損耗來達到所需的擊穿電壓,並且在更高的開關頻率下工作,轉而採用SiC元件,可以節省BOM成本,進而在總體上提供更經濟的解決方案。 例如專用反馳式控制器IC產品BD7682FJ用於驅動SiC MOSFET,除了為SiC元件產生建議的14到22V範圍(通常約為18V)閘極驅動訊號外,還整合了14V欠壓鎖定(UVLO)功能以避免散熱問題,還帶有輸出鉗位功能以防止SiC閘極發生過電壓。這款控制器實現了準諧振開關,把動態損耗降至最低、實現低雜訊,並採用高載模式以提高輕負載效率。BD7682FJ內建多種保護功能,例如軟啟動、每週期過電流限制器、過電壓保護和過載保護功能。 整合碳化矽電源開發板 簡化電路設計/省成本 舉例來說,半導體製造商羅姆(ROHM)創建了一個搭載SCT2H12NZ和BD7682FJ元件的100W輔助電源開發板,能夠在輸入電壓範圍為210~480V AC或300~900V DC的條件下運行。圖4顯示了輕負載(圖左)、50%負載(圖中)和標稱負載(圖右)下電晶體VGS和VDS波形。輕負載波形顯示了控制器如何在打開MOSFET之前等待幾個波谷,進而導致工作頻率低於標稱90到120kHz範圍。隨著輸出功率的增加,延遲時間減少,工作頻率增加。在標稱功率下,MOSFET在第一個波谷就會導通,在整個負載範圍內進行的測量表明,對於300到900V DC輸入電壓範圍,在標稱功率輸出下效率提高到88~92%。 羅姆藉由其輔助電源開發板,演示了在充分利用SiC元件優勢的情況下,可以實現系統級的成本節省。現在更進一步地推出BM2SCQ121T-LBZ準諧振AC/DC轉換器,完全整合了4A、1700V SiC MOSFET與BD7682FJ(圖5)的功能(包括UVLO、電壓鉗和突發模式)。這款轉換器採用方便的TO-220-6M封裝,可以比以往更為簡單地使用SiC元件進行設計,並且大幅節省零組件數目和電路板空間。 圖5 BD7682FJ開發板 碳化矽MOSFET元件憑藉結合高額定擊穿電壓與低RDS(ON),以及高開關速度、低開關損耗和高溫性能,使得設計人員能夠在多種應用中簡化電路設計並降低材料成本,其中包括簡單的反馳式轉換器。一種新型完全整合的反馳式轉換器IC包含閘極驅動和控制電路以及內置1700V SiC MOSFET,採用易於使用的業界標準電源封裝,結合了以上優勢。 (本文作者Wolfgang Sayer為儒卓力產品線經理;Aly Mashaly為羅姆半導體AT SC電力系統總監)  
0

特瑞仕通用N通道MOSFET 具低導通電阻/高速開關

特瑞仕半導體株式會社開發了2種MOSFET新產品-XP22x系列(20V耐壓)。 此次發售的產品是具有低導通電阻和高速開關特性的通用N通道MOSFET產品。該產品可用於各種機器應用,如繼電器電路和開關電路。內置了柵極保護二極管作為防靜電措施。 封裝組件均採用了小型SOT-523(1.6x1.6xh0.9mm)、SOT-723(1.2x1.2xh0.5mm),推動機器小型化。此外,該產品對應EU RoHS指令、無鉛,是注重環保的產品。 特瑞仕今後也將根據市場需求迅速開發產品,為實現富足的社會繼續做出貢獻。
0

東芝發表新型元件結構 SiC MOSFET可靠性提升十倍

東芝推出可提高SiC(碳化矽)MOSFET可靠性的元件結構。相較於東芝的典型元件結構,MOSFET內嵌的SBD(肖特基勢壘二極體)可在抑制導通電阻增大的同時,將元件結構的可靠性提高10倍以上。 功率元件是降低車輛以及工業設備和其它電氣設備能耗的重要元件,而SiC相較於有機矽可進一步提高電壓並降低損耗,因此業界普遍預期其將成為新一代的功率元件材料。雖然SiC目前主要用於車輛變頻器,預計往後的應用領域會涉及於工業設備的各種光伏發電系統(PPS)和電源管理系統(PMS)。 可靠性問題是目前SiC元件最大課題,其涉及位於功率MOSFET的電源與列車之間的PN結二極體。PN結二極體的外施電壓使其帶電,造成導通電阻變化,進而有損元件的可靠性。東芝新推出的SBD內嵌式MOSFET元件結構正是此問題的剋星。 新結構中有一個與電池單元內的PN結二極體平行設置的SBD,可防止PN結二極體帶電。相較於PN結二極體,內嵌SBD的通態電壓更低,因此電流會通過內嵌SBD,進而抑制導通電阻變化和MOSFET可靠性下降等問題。 內嵌SBD的MOSFET現已投入實際應用,但僅限於3.3kV元件等高壓產品;其通常會使導通電阻升高至僅高壓產品能承受的一個電壓水準。東芝在調整各個元件參數後發現MOSFET中SBD的面積比是抑制導通電阻增大的關鍵因素。東芝不斷優化SBD比例,實現了1.2kV高可靠型SiC MOSFET,並計畫於2020年八月下旬開始量產。
0

電源設計追求高效/低損耗 閘極驅動器巧助SiC設計

碳化矽MOSFET具有較低的導通電阻,可以在開關狀態之間快速地來回切換。因此,它們比絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)消耗的功率小得多,IGBT具有較慢的關斷速度和較高的關斷開關功率損耗。此外,碳化矽的寬能隙(Wide Bandgap)使碳化矽元件能夠在高壓下運轉。相反地,矽基MOSFET不能同時實現高阻斷電壓和低導通電阻。因此,碳化矽元件在高功率應用中變得越來越重要。 圖1 閘極驅動評估平台包括主機板、兩個外掛程式閘極驅動器模組,以及支援高達5,000瓦輸出功率的散熱器和風扇 由於碳化矽元件具有較高的功率水準,因此設計人員必須評估碳化矽元件本身及其閘極驅動器電路。碳化矽技術仍是較新的技術,因此目前在各種條件下的元件性能還沒有得到充分的發揮。 評估平台將協助設計工程師評估在轉換器電路應用中連續運轉的碳化矽MOSFET、碳化矽肖特基二極體以及閘極驅動器電路。有助於加速碳化矽功率轉換器的設計週期,進而加速最終產品上市。 功率轉換電路設計挑戰 為了使功率輸出和功率轉換電路的效率最大化,設計人員必須確保: 電源設備可在額定功率和電流下運行,並提供負載足夠的功率。 電路將內部功率損耗降至最低,以獲得最大效率。 該設計包含用於碳化矽功率元件的保護電路。 印刷電路板(PCB)布局大幅減少寄生電感和電容。 電磁干擾(EMI)輻射在允許範圍內。 該設計使用最少的無源元件,有助於降低成本、尺寸和重量。 閘極驅動器有助於實現上述目標,並可將熱能維持在規定的溫度額定值內。 圖2則為閘極驅動評估平台的簡化圖。其電源配置為半橋輸出式,未顯示的去耦電容器靠近碳化矽元件放置,以在元件切換期間保持電源電壓;去耦電容器和碳化矽元件兩端的電容器作為低通濾波器,以消除直流電源線上的開關雜訊;下方則為閘極驅動環路中的寄生電容和電感。 圖2 閘極驅動評估平台簡化圖 閘極驅動評估平台可幫助設計人員應對這些挑戰。該平台可以連續在高功率下運轉,以表徵所選碳化矽MOSFET和二極體的性能。該平台還可以在多種測試條件下比較不同的閘極驅動器,並可評估閘極驅動器的熱能表現、抗電磁干擾能力,以及驅動功率元件的能力,以使其高效運轉。最後,該平台可對設計進行分析,以提高效率、減少EMI、降低成本、減小尺寸和減輕重量。 閘極驅動評估平台本質上是一個功率級參考設計平台,它由一個主機板和一個以半橋配置的兩個碳化矽MOSFET-碳化矽肖特基二極體對組成。半橋電路在800伏直流總線電壓下可輸出最大5,000瓦的功率。主機板可以容納兩個獨立的閘極驅動器模組板,每個開關位置一個。因此,不同的閘極驅動積體電路和閘極驅動設計可以快速方便安裝在主機板上,以評估閘極驅動性能以及驅動器如何影響輸出功率。 閘極驅動評估平台的第三個主要元素是熱管理,其針對散熱器和冷卻MOSFET-二極體對的風扇。散熱器風扇子系統使功率電路能夠在頻率高達200kHz的MOSFET二極體對切換時,連續輸出高達5kW的功率。 閘極驅動評估平台的印刷電路板布局最小化迴路電感和電源電路與閘極電路之間的耦合;兩個閘極驅動電路則允許獨立評估頂部和底部閘極的驅動品質。 碳化矽MOSFET和二極體的選擇以及閘極驅動器的選擇是功率轉換設計最重要的關鍵。MOSFET必須具有電壓、電流和功率規格,才能滿足轉換器的要求。閘極驅動器有更複雜的要求。它應具有較寬的電壓範圍和足夠的輸出電流來驅動功率MOSFET。 圖3使用降壓轉換器作為負載的閘極驅動器開關損耗測試。此處顯示的是閘極驅動電壓、MOSFET漏源電流和MOSFET漏源電壓。 圖3 使用降壓轉換器作為負載的閘極驅動器開關損耗測試 推薦的驅動電壓為15至20V,以便將MOSFET切換到導通狀態;推薦電壓為0至-5V,以便將MOSFET切換到關閉狀態。閘極驅動器的峰值輸出電流範圍為1至15A,具體取決於MOSFET的功率處理能力。驅動器需要提供高脈衝電流,以減少開關瞬態期間MOSFET的開關損耗。此外,高持續電流和較小的外部閘極電阻可降低碳化矽MOSFET的高頻開關期間的驅動器溫度。 快速碳化矽MOSFET開關引起的高dv/dt使得高共模電流將流經閘極驅動器和功率轉換電路的其餘部分;高共模電流會影響控制電路中的參考電壓節點,進而導致誤操作。共模電流的大小由MOSFET dv/dt和共模電流路徑中的阻抗決定。因此,閘極驅動器積體電路及其電源都需要較高的隔離阻抗以減小共模電流。而閘極驅動器的隔離電容應小於1pF,電源的隔離電容則應低於10pF。 閘極驅動器實現電路穩定運作 傳統的做法是由光耦合器隔離,新的整合電路技術則可以採用電感或電容隔離,這些新方法被稱為數位隔離器技術。光耦合器和數位隔離器既有優點也有缺點—光耦合器提供電流,進而使其輸入不易受到EMI的影響。但是,光耦合器不能處理像數位隔離器一樣高的資料傳輸速率,並且會帶來更長的脈衝寬度失真時間。脈衝寬度失真時間是指透過驅動器積體電路的訊號延遲時間。在半橋電源轉換拓撲中,過多的延遲會產生波形失真和低頻雜訊。 光耦合器的性能隨驅動器電壓、溫度和設備壽命改變而變化。使用數位隔離器的驅動器在整個溫度範圍內具有更穩定的參數。由於數位隔離器在電壓輸入下運轉,因此它們更容易受到EMI的影響。但總體來說,與使用碳化矽MOSFET功率轉換電路閘極驅動器中的光耦合器相比,數位隔離器更穩定的運轉參數使其成為更好的選擇。 對於大功率電路,必須採用保護機制來防止元件熱失控以及由於故障而損壞元件和電路。強烈建議採用帶有保護電路的閘極驅動器積體電路。閘極驅動積體電路應具有去飽和(De-sat)保護,故障情況下的軟關斷、米勒(Miller)鉗位電路和欠壓鎖定(UVLO)。 發生負載短路時,去飽和保護電路會關閉MOSFET。軟關斷可避免較大的瞬態電壓過衝,並在直通故障期間(兩個MOSFET同時導通)關閉MOSFET。Miller鉗位電路透過從寄生漏極-閘極電容中釋放電流來避免直通條件,進而避免閘極電壓的瞬態上升。鉗位電路可防止MOSFET在應處於關閉狀態時導通。如果用於閘極驅動器輸入或隔離輸出電路的電壓供應過低,則UVLO電路會關閉閘極驅動器,以保護MOSFET免受錯誤的開關時序的影響。這些保護電路確保更堅固和安全的電源轉換電路。 PCB板布局對動態電路(如高效功率轉換電路)的性能則有重大影響。PCB走線和接地層的寄生電容和電感會增加電路中的寄生電容和電感;閘極驅動迴路中的寄生元件會降低MOSFET的開關性能;閘極-源極電容則迫使閘極驅動器積體電路產生更高的驅動電流。雜散電感會增加閘極-源極電壓的過衝,並導致在MOSFET開關期間產生振鈴。 為了減少雜散電容和電感,可將閘極驅動器、閘極電阻和去耦電容靠近MOSFET閘極,使閘極路徑盡可能較短。透過將閘極返回路徑直接布置在閘極電源走線的正下方,可將環路電感降至最低。最大化MOSFET閘極走線和漏極走線之間的距離,以減小閘極-漏極電容的大小。這種做法會切斷進入閘極的電流,進而降低米勒效應。 此外,電源轉換電路下方的接地層會增加電容耦合;避免在使用MOSFET開關的功率轉換電路中使用接地層。所有這些PCB布局建議均已在閘極驅動評估平台中實施,以避免訂製測試板的設計、布局和測試(圖4)。 圖4 產生波形的測試條件:輸入電壓=800V、輸出電壓=400V、開關頻率=100kHz、輸出功率=2.5kW 閘極驅動評估平台透過使用不同的閘極驅動積體電路,可以方便比較開關損耗和開關瞬態,並考量在連續開關條件下運轉的降壓轉換器,評估閘極驅動器的情況。降壓轉換器的運轉頻率為100kHz,輸出為2.5kW。 驅動器整合電路的驅動能力和所使用的外部閘極電阻將影響碳化矽MOSFET的開關瞬變和整體開關損耗。在此測試中,第一個閘極驅動器的額定驅動電流為14A,第二個閘極驅動器的額定驅動電流為2A。每個閘極驅動器均使用10Ω和1Ω閘極電阻進行測試(圖5-1)。 圖5-1 具有兩個不同驅動器積體電路和一個10Ω閘極電阻的MOSFET導通瞬變。 10Ω閘極電阻消除了閘極驅動器性能上的差異。10Ω的閘極電阻會降低MOSFET的瞬態開關速度,進而增加開關損耗。高輸出電流驅動器和低輸出電流驅動器之間的差異更加明顯。當以較低的閘極電阻使用高輸出電流驅動器時,MOSFET的開關速度更快。與較高的閘極電阻相比,較低的閘極電阻確實在開關轉換期間產生更多的振鈴。設計人員必須找到閘極驅動器、閘極電阻和MOSFET的較佳組合,以大幅降低開關損耗(圖5-2)。 圖5-2 具有兩個不同驅動器積體電路和一個2Ω閘極電阻的MOSFET導通瞬變。 閘極驅動器評估平台可藉助散熱器和風扇來評估驅動器積體電路的熱能表現,這些散熱器和風扇使MOSFET能夠在連續開關輸出狀態下運轉。該平台還可用於測試驅動器保護功能。 簡而言之,閘極驅動評估平台是一種有助於評估碳化矽元件和閘極驅動器的工具。透過將閘極驅動模組插入主板,設計人員可以很容易比較不同閘極驅動器積體電路的效率和熱能表現。設計人員可以使用評估平台上的PCB布局技術和推薦元件來克服碳化矽元件的設計挑戰,進而開發高效、熱可控和受保護的電源轉換電路。因此,該評估平台可以更快設計高效的功率轉換電路,並加快產品上市時間。 (本文作者皆任職於Littelfuse)
0
- Advertisement -
- Advertisement -

最新文章

- Advertisement -

熱門文章

- Advertisement -

編輯推薦

- Advertisement -