MOSFET

本文將探討藉由對IGBT/MOSFET電源開關進行破壞性檢測，分析閘極驅動器的隔離耐受能力。例如，對於像是電動/混合動力車這類高可靠度/高效能應用而言，隔離式閘極驅動器必須確保隔離阻障層(Isolation Barrier)在所有情況下維持完好。隨著Si-MOSFET/IGBT不斷改良，以及氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)技術的推出，現代功率轉換器/逆變器的功率密度也跟著提升。 因此業界需要高整合度的隔離式高強固新型閘極驅動器。由於電氣隔離機制已整合在驅動器晶片內，因此這些驅動器得以小型化。電氣隔離可透過整合型高電壓微變壓器或電容來達成。由於只要出現一次意外的系統故障就可能導致電源開關損壞或爆炸，或甚至整個電源逆變器(Power Inverter)毀損，因此必須針對高功率密度逆變器來評測閘極驅動器在隔離方面的安全性能。這方面的隔離可靠度，必須針對電源切換開關毀壞的最糟狀況來進行測試與驗證。 當高功率MOSFET/IGBT失效時，逆變器內部數千微法拉的電容組(Bank Capacitor)在最糟狀況下會快速放電。這些釋放的能量會導致MOSFET/IGBT毀損、封裝爆裂以及電漿外溢到環境中。部分能量會流到閘極驅動器的線路，則會導致電氣過載(Overstress)。另外由於功率密度極高，因此即使在晶片本身失效的情況下，驅動晶片也應設計成能夠維持電氣隔離。 建構高整合度閘極驅動器 晶片層級隔離方面，運用平面微變壓器來提供電氣隔離。它採用晶圓層級技術進行製造，並製作成半導體元件的規格。在一個iCoupler通道中含有一個IC，以及晶片層級的變壓器(圖1)。在隔離層中則有隔離阻障層來分隔每個變壓器的頂部與底部線圈(圖2)。數位隔離器採用厚度至少20微米的聚醯亞胺(Polyimide)絕緣層來分隔平面變壓器線圈，其製造流程也整合成晶圓製程的一部分。這樣的製程除了讓隔離元件能以低廉的成本整合到任何晶圓廠的半導體製程外，還能達到極高的品質與可靠度。圖2的橫截面圖顯示透過極厚的聚醯亞胺層隔開頂部與底部線圈。 圖1　MOSFET半橋驅動器的晶片配置 圖2　微變壓器的橫截面 封裝內的分離導線架(Split Lead-frame)會完成隔離機制。當電源開關爆炸導致閘極驅動器輸出晶片受損，內部晶片的分區與配置設計必須確保隔離層完好無損。目前已建置許多保護措施以確保閘極驅動器內部隔離機制在遭遇事故後的存活力： ．適當調整外部電路以限制流入閘極驅動晶片的電力 ．適當配置驅動晶片的輸出電晶體 ．適當配置晶片上的微變壓器 ．適當配置封裝內部的控制與驅動晶片 晶片內部閘極驅動器的配置，如圖1能在極端電氣過載狀況下避免電氣隔離性能崩潰。 破壞性測試模擬逆變器失效 透過組建一個含有385V與750V兩個電壓位準的測試電路以用來模擬實際電源逆變器的各種狀況。在需要對110V/230V交流電網進行功率因素修正的系統而言，385V的電壓位準相當常見。750V則常見於高功率逆變器，這類逆變器用來驅動許多應用，其中使用到的開關其額定崩潰電壓多為1200V。 在破壞性測試中，其中一個逆變器接腳連著一個電源開關以及一個適合的驅動器，在開關失效之前會維持導通狀態。在破壞期間系統會紀錄下波形，以判斷流入閘極驅動晶片的能量。之後研究各種保護措施，以限制流入閘極驅動電路的破壞性能量。在破壞性測試中用到許多種類的IGBT與MOSFET。  MOSFET/IGBT在受控破壞模式下測試電路 在IGBT/MOSFET驅動器的電氣超載測試(EOS-test)方面，我們設置一個相當接近真實世界條件的電路(圖3)。電路中含有電容與電阻，對於5kW至20kW功率範圍的逆變器而言都是相當適合的元件。在閘極電阻Rg方面，採用的是額定2瓦功率的軸向型金屬電阻。當中用到一個阻隔二極體D1，用來防止電力從高電壓電路逆流到外部電源。 圖3　EOS電路配置，用來量測隔離耐受性檢測中電源開關的損壞狀況 這個二極體也能反映真實狀況，因為浮接(Floating)電源供應器內含至少一個整流器(亦即自舉電路)。高伏電源HV會透過一個接有充電電阻Rch以及一個開關S1的電路對阻塞性電極電容進行充電。在EOS-test方面，則維持以500µs的開啟訊號貫入到控制輸入電壓VIA或VIB。這個開啟訊號透過微隔離(Microisolation)構造進行傳送，會導致短路狀況並破壞電源電晶體T1。在一些情況中，甚至會觀察到電晶體封裝爆裂。 在這裡，我們在兩個電壓位準上用四種電源開關來模擬逆變器的損壞。第一種測試是針對特定類型的切換開關，第一次會接上電力限制電路，第二次則不接。為限制損壞階段流入驅動器電路的能源，在一些測試中會把齊納二極體Dz(BZ16,1.3瓦)直接連到驅動器的輸出針腳。另外還會研究不同的閘極電阻值。 檢測直接閘極驅動器電路受損狀況 另一項測試則是模擬最糟狀況條件，當中破壞性能源直接導入閘極驅動器的輸入與輸出晶片。在這項破壞性測試中，完全充電的最大體積(bulk)電容直接連到閘極驅動器的輸出接腳(圖4)。這項測試顯示可能出現最糟狀況的超載，故能檢驗隔離耐受性的能力。能源直接流入驅動電路，而閘極電阻則是唯一的電力限制元件。其中中繼器S2把高電壓耦合到閘極驅動器的輸出電路。 圖4　EOS電路，在隔離耐受測試中用來判斷能源限制的能力 圖5顯示在最糟狀況測試中，沒有任何元件用來限制能源流入晶片的輸入端與輸出端。在高電壓750伏的直接應用方面，透過開關S1連至輸出晶片，用來代表最糟狀況的條件，中間高電壓750伏特導入驅動晶片，當中沒有用到任何能源限制閘極電阻。 圖5　EOS電路在最糟狀況中，能源直接貫入輸入與輸出晶片。 另外一種可能的最糟狀況，超量電源電壓貫入到驅動器一次側的控制晶片。輸入電源電壓的最大建議值為5.5V。倘若DC對DC轉換器產生的輸入電壓不受調節，其輸出的電壓就會升高。在不受控制的狀況，許多尖端直流對直流變壓器的輸出電壓可能提高二至三倍。貫入閘極驅動器輸入晶片的能源受到限制，而包括電阻、電源切換開關、電感等其他元件也都包含在內。這些元件會阻止能源流入控制晶片。這裡選用15V的電源電壓以及1.5安培的電流，用來模擬真實世界中直流對直流變壓器機能失常的狀況。 如表1所示，使用圖3、圖4、圖5電路進行超載測試的結果。為判斷保護電路的影響，對每種MOSFET/IGBT電源開關進行兩次測試。在9、10、11最糟狀況測試中，使用到開關S1與S2。 一般而言，齊納二極體有助於保護驅動電路，如表所示(比較測試1與測試2)。然而當閘極電阻值過小，不論是否有齊納二極體，驅動器都會受損(比較測試3與測試4)。 比較測試2與測試3，以及對照測試3與測試4，即可估算出驅動器的損壞能源。測試5與測試6提供一項有意思的結果：超接合面(Super-junction)MOSFET比起相同額定功率的IGBT更能限制能源流入閘極驅動器。測試9、10、11的目的－無上限能源流入控制與驅動器晶片－則是用來研究在最糟狀況下隔離耐受性的效能。 破壞性測試顯示在電源開關受損時的不同波形。圖6的波形是一個超接面MOSFET，開啟到晶片損壞之間大約經過100微秒，只有極小的電流流到驅動晶片，故能通過超載測試。在相同的測試條件下，標準MOSFET導致大幅提升的閘極電流與過壓，而使驅動器受損，如圖7所示。 圖6　破壞SPW2460C3產生的波形圖；沒有觀察到驅動器受損 圖7　破壞2個並聯FDP5N50所產生的波形圖；閘極驅動器失效 晶片損壞分析 部分密封的閘極驅動器顯示在不同開關與不同測試條件下出現類似的晶片損壞。圖8顯示一個P-MOSFET輸出驅動器在測試8中表1的損壞狀況。750V電壓的測試中導致一個IGBT爆裂，以及損壞限能元件Rg與DZ；不過只有在VDDA接腳焊線附近出現小區域的熔融。 圖8　閘極驅動晶片照片顯示測試8的損壞區域。隔離層中沒有發現損壞 受損階段的閘極過流，會從P-MOSFET的本徵二極體流到100微法拉電容。由於電流擁擠效應，靠近焊線的區域出現熔融。除此之外驅動晶片沒有其他損壞，控制晶片的隔離層也沒有觀察到損壞。圖9顯示測試9的熔融區，過程中150伏特的電壓直接貫入驅動晶片。控制晶片的電氣隔離能耐受這種極端超載測試。 圖9　閘極驅動晶片的照片顯示測試9過程中的損壞區域。極端的電氣超載並沒有破壞控制晶片。最終結果並沒有偵測到隔離機制受到損壞 一次側的最糟狀況顯示超量電源電壓貫入控制晶片的結果。在測試11中，15伏特的電源電壓貫入VDD1接腳，如圖5，遠遠超過絕對最高額定值7.0伏特。圖10照片顯示晶片中靠近VDD1接腳的區域出現熔融。 圖10　輸入控制晶片照片顯示測試11中的受損區域。貫入電路的能源導致在VDD1接腳附近出現範圍極有限的熔融。隔離層本身則沒有受損 電源切換開關的破壞性測試不會影響到整合式閘極驅動器的隔離耐受性。即使驅動器因超量能源流入輸出晶片而受損，也只有局部小範圍的區域會出現熔融。超量的能源會直接透過P-MOS驅動器電晶體導入到阻隔電容。因此熔融只會出現在P-MOS區域。 ADI的整合式閘極驅動器ADuM4223/ADuM3223的晶片配置不允許熔融區域擴散到控制晶片，因為控制晶片內含電流隔離訊號變壓器。為限制能源流入驅動器的輸出端，業界會使用齊納二極體。齊納二極體搭配一個適合的閘極電阻，能在電源切換開關受損時保護閘極驅動器。可以設計閘極電阻在整流時管理電力消耗，以及在出現損壞時隔離驅動器與電源開關。當高電壓直接貫入晶片時，閘極電阻可發揮保險絲的作用。電阻會讓晶片損壞控制在小範圍，只會在輸出電源切換開關附近出現熔融。 在最糟的狀況下，當無受限能源貫入輸出晶片，驅動器輸出接腳附近會出現有限的熔融區域。這項測試並沒有影響到隔離耐用性。在一次側的最糟狀況中，當電源電壓大幅超越絕對最大額定值，在電源電壓接腳的週圍就會出現有限度的熔融區。在任何電氣超載測試中，都沒有隔離能力弱化的跡象。之後進行高電壓隔離測試，則確定電氣微隔離的耐受性能。適當的晶片結構，以及驅動器封裝內部的晶片配置，能阻止破壞能源擴散到微變壓器的高電壓隔離層。 (本文作者任職於ADI)  

電動車產業未來幾年將持續加速，以無聲、零排放、零震動的姿態完善產業鏈，持續挑戰內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車輛的主流地位，同時電池、馬達、電控三大系統也以分進合擊的方式，各自努力發展技術、結合提升車輛效能，然而不管是傳統車廠、新興純電動車廠、Tier 1車廠、通路商、零組件或資通訊系統廠商，都在積極布局與發展自己的解決方案。 未來幾年，相信特斯拉(Tesla)、比亞迪(BYD)與豐田(Toyota)、福斯(Volkswagen)這些新舊車廠間的競爭，到底誰能在下世代交通運具的新局裡取得成功，必然是業界持續關心的話題；然而交通運具牽涉的產業鏈既廣且長，不管是現有龍頭衛冕，或者後進者挑戰成功，在此之前還有更多其他廠商的布局與卡位，並牽動產業面貌的大幅革新，本文特別蒐集部分半導體業者的動態，希望能見微知著藉此洞察未來大勢走向。 電池為電動車技術發展主軸 整個汽車產業未來的投資重心將集中在電動車與自駕車兩大明星，其中電池絕對是最關鍵的部分，所以除了電池芯配方與新材料之外，電池管理系統(Battery Management System, BMS)就是現階段可以協助提升電池利用率的技術，ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai(圖1)提到，要完全耗盡電池堆中的每個鋰電池仍然是一個巨大的挑戰，原因是每個電池的性能不一致，因為溫度環境不同、運作期間性能的變化和降級、準確地感測和監控每個電池單元對於延長容限、實現電動車效率非常重要。 圖1　ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai提到，每個電池的性能不一致，準確地感測和監控每個電池單元非常重要。 該公司一項稱為主動平衡器的技術，將解決電池性能不一致的問題，以提升充電及放電性能；另外，其ASIL-D等級、精確電池監控元件和主動平衡器能夠提升充電和放電性能並延長電池使用壽命，以滿足重複使用(Reuse)市場的需求。另外，致茂電子提供BMS功能驗證的自動測試系統、電池包實驗室測試方案與生產線電池包下線測試等方案。 致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏(圖2)表示，在BMS功能驗證的自動測試系統提供檢測電池芯監控線路(CSC)的功能，提供87001電池芯模擬器解決電池芯監控線路驗證的困擾，87001電池芯模擬器可精準模擬鋰離子電池芯，於可靠安全的環境下取代電池芯，測試電池監控線路，藉以模擬電池芯可吸收和提供能量的電源特性；同時具備電壓和電流的量測監控能力驗證主被動均衡線路與消耗電流，確保電池芯監控線路能準確量測到並處理電池芯電壓狀態變化；測試系統具備檢驗電池管理單元(BMU)上絕緣電阻異常偵測線路的作動情形，模擬絕緣電阻異常狀態，驗證異常時BMS所進行確保人員安全的對策是否有效。 圖2　致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏表示，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，以讓電池包順利工作。 電池包實驗室測試方案主要目的在創造模擬電池包實際使用環境，以達到檢驗電池包效能與安全設計等機制是否達到設計要求，測試設備需要模擬車輛基本的特性，林信宏舉例說明，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，才能讓電池包順利工作；透過統一診斷服務(Unified Diagnostic Services)對電池包進行控制、讓電池包能夠進入受測狀態；最重要的需要具備行車狀態模擬，達到即時控制電壓、電流、功率模式等要求。 以「過溫降載」的應用為例：當車輛的電池包在使用者操作下，若產生過溫度狀態，行車電腦將限制馬達驅動器的拉載功率，電池包的測試設備就必須具備即時狀態的模擬功能，在測試過程中收到電池包所回傳的BMS溫度訊息判斷是否過溫，將充放電設備輸出功率進行調降，達到降載的狀況；同時間會搭配資料收集器，進行電池包各串電壓與溫度的收集，整個操作過程要確認電池芯能在預定的操作區間使用，不會有電池芯異常(過電壓或過溫度)的使用狀態發生。 而生產線電池包下線測試方案針對高功率電池包(Battery Pack)配置，林信宏解釋，主要目的在確保電池包在各個生產組裝結束後，具備高品質狀態離開電池包生產工廠交貨給下游車廠，故會在生產流程的容許下進行電池包功能的檢測，對整個電池包組裝過程中可能發生的故障、安全問題進行測試驗證，確保產品是安全可靠的，內容包含：電池包連接與生產條碼對應測項確認，電池包軟體版本確認/程式燒錄/讀寫序號/運輸位確認，初始狀態確認後，就進行電氣安規測試，有絕緣阻抗測試與接地短路等安全測試。 隨後BMS功能測試包含：高/低壓繼電器開關功能檢測、風冷/水冷機制測試、錯誤碼診斷、性能測試、出廠總電壓檢測、出廠電池包SOC值檢測、高壓互鎖功能檢測、總成極性判定、總電流檢測、充/放電性能、內阻性能(DCIR)、單電芯電壓範圍、單體溫度範圍、電池包的最大單體壓差等測試項目，完成上述各測試項目的要求，進行全自動化的測試程序，完成產品驗證。 充電設施普及與介面標準化 相較於目前消費者使用電動車所產生的「里程焦慮」，過去ICE車輛在加油站不普及的時代相信也有，因此充電的便利性是電動車發展的關鍵之一，包括快充技術與充電站的基礎建設，這部分是台灣產業可以著墨的領域，然而目前充電連接器的規格並不統一，包括：美國SAE的J1772(CCS1/Type1)、國際電工協會的IEC 62196(CCS2/Type2)、日本的CHAdeMO、中國大陸的GB/T以及Tesla推行的SC(圖3)，而且還在發展當中。 圖3　目前充電方式與形式多樣，不利市場推廣。 而充電形式分為交流(AC)充電與直流(DC)充電，德國萊因(TÜV)商用與工業產品服務部門經理翁文進(圖4)指出，交流充電可使用家中220V電源，電流在32~72A不等，每小時充電量為7.0~15.8度電；直流充電使用380V以上的電壓進行充電，充電功率視電池狀況最高可以達每小時100度電甚至更高，AC充電多安裝於家中，DC充電以戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 圖4　德國萊因商用與工業產品服務部門經理翁文進指出，AC充電多安裝於家中，DC充電戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 為了確保車主可以安全無虞且有效率的使用充電設備，安裝的保護零件選用也是一個重點，像是防雷元件、過電流保護器、漏電斷路器、接地保護等，與安全保護都息息相關。翁文進特別提醒，幾個常見的安裝現場差異如：使用漏電斷路器，國際電工法規定在電動汽車充電系統中(IEC 61851-1)必須使用電流跳脫特性為Type A型，可針對交流及直流脈衝進行偵測跳脫，比原本在台灣市場CNS 5422認可的Type AC型有著更高的保護能力。 另外，當使用接地保護時，為確保接地連續性，在短路或電擊危險發生時，可以藉著阻抗匹配將電流導引至地面以保護人員操作安全。翁文進說明，在電工法規的建議是使用螺絲(栓)、彈簧華司、端子、華司、螺帽進行鎖固連接，同時也確保充電程序過程持續的進行。台灣夏季氣候多雷雨，為防止落雷對充電站系統以及電力設施的損壞，防雷元件的正確選用不可少，一方面免於設備遭雷擊而失去功能，也增加人員車輛使用充電站時的安全。 SiC功率元件將大量導入 現在主流的電動車電池組由96串4.2V的電池包串聯組成，總電壓約400V，為了提升電池的傳輸效率並串聯更多電池組，電池系統有往更高壓發展的趨勢，Nagai解釋，電動車傳動系統需要更高電壓、高電流切換開關元件。IGBT是目前常用的一種。當檢視提高逆變器效率和減少動力傳動系統重量和尺寸，以提高每加侖密度的挑戰時，寬能隙的碳化矽(SiC)切換開關元件備受矚目。不過，基於SiC的缺陷密度和晶圓尺寸仍與Si不相容，因此成本仍然是其採用的挑戰。 馬達可以說是電動車的心臟，英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌指出，電動車馬達主要是使用MCU、Gate driver、IGBT模組等核心元件。現階段馬達控制技術已經比較成熟，透過第三代半導體SiC功率模組的性能提升，將是提升馬達系統整體效率的重要關鍵。對於電機驅動，SiC能在目前IGBT的基礎上，提升效率5~10%，碳化矽的100K開關頻率有助於實現電動車的高壓快充。 電動車的充放電和機電轉換主要是靠功率半導體來完成，包括IGBT和MOSFET，一個是把電能轉化為機械能，比如馬達的機電轉化，或者把機械能轉為電能，比如電量回收。另一個功能是把電能從一個地方轉移到另一個地方，比如用車載充電器充電，就是把市電轉移到電池上。ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰(圖5)說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程，也具有高速、耐高壓、耐高溫、小型化以及低開關損耗等功能，能提升車載充電機、車載電源、主變頻器的效率。 圖5　ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程。 包括PCB在內的高溫等級周邊零組件仍然非常昂貴，這也影響了SiC的另一個優點，即高溫耐受能力，其能大幅降低逆變器冷卻系統成本。陳文聰表示，目前SiC的價格相較傳統的矽功率元件還有一倍左右的價差，另外元件耐用度也是另外一個重點，汽車產業前幾年花費很多時間評估SiC的耐用性，由於電動車內部需要電能轉換的部分非常多(圖6)，像牽引逆變器(Traction Inverter)這類與馬達控制關係較高的元件會優先導入，2019年預計是電動車SiC起飛的時間，未來將廣泛應用在電動車的馬達控制與電控系統。 圖6　未來電動車系統將導入越來越多SiC功率元件。 資料來源：ST 另外，ADI強調其強固和可靠的隔離技術，以確保低壓系統和高壓之間不存在干擾。Nagai說明，該公司專注於IGBT、SiC智慧驅動器、整合隔離和電源技術，除了提供精小外型和強固的EMC/EMI功能外，同時更可降低系統成本。此外，ADI還為馬達定位感測提供高精度角度感測器，以便有效地驅動馬達。 掌握車輛電動化與智慧化契機 車輛電動化與智慧化將同步進行，恩智浦半導體大中華區汽車電子市場經理周翔認為，要提高車輛的運算能力，才能實現潛在的二氧化碳減排。從對傳動系統的精確、即時控制，到數學密集型能量優化策略，再加上車上不同電源的定時精確同步，可透過階梯式功能提高來實現可用的計算性能。因此，恩智浦發布下一代混合動力和全電動汽車的GreenBox開發平台。GreenBox允許汽車製造商和供應商在基於Arm Cortex架構的汽車處理多核平台上開發下一代混合動力和電動汽車應用。 GreenBox電氣化開發平台用於在真實的使用者環境中開發控制演算法並對其進行測試。隨著全球對排放的監管限制不斷增加，燃油經濟性目標也越來越嚴格，傳統汽車製造商和新的市場進入者都需要開發工具來快速設計電動和混合動力汽車。GreenBox為HEV/EV設計提供了一條簡單的即用開發路徑，該設計將使用2019才會問世的最新款S32電氣化MCU。 總結目前新能源汽車發展狀況，電動車市場進入推廣末期、普及初期，電動車電池占電動車成本比例需從30%~50%進一步下降，觀察近期Tesla大幅降價與其平價S3車款量產已上軌道，同時Toyota的油電混合車售價已經越來越貼近ICE車輛，電池的成本不再高不可攀。另外充電樁的普及與規格的統一/簡化也須持續推動，現階段混亂的現況可望慢慢改善。 車輛最重要的就是安全，電池包安全設計是無可妥協的重點，電池芯電壓狀態監測，避免過充電狀態產生，電池包在正常狀態使用下或是碰撞後的高壓安規監測都相當重要，避免危害人身安全；電池管理系統與電池包依照使用者的角度，在出貨前或是入料前檢驗都必須做嚴格控管，從原物料的入料檢驗、電池管理系統的功能檢驗、電池模組的組裝品質檢驗、電池包的功能檢驗都必須具備。 上述發展重點有許多要依靠半導體元件的控制與轉換功能，才能精準地達到技術要求並改善現有的諸多問題，因此電動車中半導體元件使用的數量將會持續增加，每輛車成本中半導體元件成本比重也相對提升，挑選有潛力的系統/技術投入，台灣的資通訊、精密機械或汽車零組件產業，依靠過去深厚的基礎，有機會進一步提升，並找到下一個百年的成長契機。

以下將介紹以GaN材料的功率晶體，包括GaN材料的物理特性以及GaN高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)的元件特性，以便對此新材料及新元件有進一步的認識。 認識氮化鎵材料特性 寬能隙的材料相較於矽材料，有較高的電子能階，矽施予1.1電子伏特(eV)的能量可以使電子從價電帶移動到傳導帶，而寬能隙材料的GaN需要3.5eV及SiC需要3.3eV，GaN與SiC相較於矽材料有七倍以上的崩潰電壓強度，而電子飽和速度也比矽材料快兩倍以上，寬能隙的材料特性具有高耐電壓及高速切換的特性，應用在電源轉換器上，可以有效提高其功率密度。 早期矽功率開關元件是採橫向的結構設計，但在給定的導通電阻RDS(on)下，晶體尺寸過大，最終無法有效降低導通電阻。為解決這個問題，目前矽的功率開關採用垂直結構設計，其閘極(Gate)與源極(Source)在頂部，汲極(Drain)在底部。 圖1為GaN HEMT功率開關的剖面結構圖，使用橫向結構的水平型設計，GaN可以外延生長到矽的基底上，GaN HEMT有別於其他傳統半導體，具有非常強的極化(Polarization)效應，除了因III-V離子鍵和晶格結構所形成的自發性(Spontaneous Polarization)極化外，在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層之間產生異質結構，成長異質結構因晶格不匹配而形成的晶格擠壓，額外造成壓電電極化(Piezoelectric Polarization)，這兩個極化效應使得異質介面結構促使GaN的能帶(Band)朝氮化鎵鋁(AIGaN)方向自然彎曲。因此，彎曲的部分就會產生一層薄但密度高的高遷移率自由電子層，稱為二維電子氣(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG)，此二維(2D)電子氣的電子遷移率極高，因此能達到非常快的切換速度，所以將其稱為氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN HEMT)，也因為二維電子氣的特性使得元件結構中的導通電阻可以大幅降低，尤其是用來承受反向偏壓電壓的漂移區(Drift Region)所貢獻的導通電阻部分。 圖1　橫向增強型GaN HEMT的截面圖 半導體必須外接偏壓，提供足夠的電子伏特才能跨越費米能階(Fermi Level)，使半導體從絕緣體變成導體，但在GaN和AlGaN接面處形成的二維電子氣讓GaN HEMT不需要外置偏壓即可導電。製程上，GaN HEMT將源極和汲極的金屬連接二維電子氣，所以GaN HEMT本身是常開型(Normal On)的半導體元件，閘極位於汲極和源極之間用來控制GaN HEMT的導通與截止。但常開型的GaN HEMT，在電源轉換器使用上會造成驅動電路的設計複雜化。 如何將常開型的GaN HEMT改變為常閉型(Normal Off)的GaN...

Power Integrations (PI)，宣佈推出SIC1182K SCALE-iDriver，這是一款高效率、單通道碳化矽(SiC) MOSFET閘極驅動器，可提供最高的可用峰值輸出閘極電流，而無需外部升壓階段。裝置可設定為支援不同閘極驅動器電壓需求，符合當今 SiC-MOSFET 的需求範圍；主要應用包括 UPS、光電流系統、伺服驅動器、焊接變頻器和電源供應器。 SIC1182K可在125°C的接面溫度下提供高達8A輸出，允許這些裝置支援設計高達幾百千瓦的SiC-MOSFET變頻器，而無需升壓階段。這會產生高系統效率，且可讓客戶僅生產一種設計來涵蓋其不同額定值的整個電源變頻器組合。高達150 kHz的切換頻率支援多種應用。 SCALE-iDriver SIC1182K SiC閘極驅動器採用Power Integrations的高速FluxLink通訊技術，可顯著提升絕緣能力。FluxLink是訊號傳輸的革命性產品，取代了光耦合器和電容或基於矽的解決方案，大幅提高了可靠性並提供了高達1200 V的增強型絕緣。SCALE-iDriver裝置還包含系統關鍵保護功能，例如去飽和監控和電流感應讀數、一次側和二次側欠壓鎖定(UVLO)和進階主動箝位(AAC)。此外，保護電路還提供5微秒內安全關機，可滿足SiC裝置的快速保護需求。SIC1182K SiC閘極驅動器展示出高外部磁場耐受性，採用的封裝提供≥9.5公釐的安規距離和間隔距離，使用的材料具有最高CTI等級CTI600 (IEC60112)。 Power Integrations閘極驅動器產品資深行銷協理Michael Hornkamp表示，碳化矽 MOSFET技術為縮小大小和減輕重量，以及減少電源變頻器系統損失打開了大門。採用FluxLink技術的SCALE-iDriver系列允許利用非常少的外部元件進行安全、低成本變頻器設計，確保功能安全性以及小巧的封裝和最大化的效率。 SCALE-iDriver技術可減少所需的外部元件數並降低BOM；不需要鉭或電解電容器，僅需一個二次側繞組。可以使用雙層 PCB，其可增加設計簡易性、減少元件數並簡化供應鏈管理。Power Integrations的SCALE-iDriver SIC1182K SiC閘極驅動器符合低於1000 V的低壓設備IEC60664-1絕緣配合和IEC61800-5-1電動馬達驅動變頻器法規。UL 1577、5...

氮化鎵崛起　無線充電設計添新力 目前最常用的無線充電標準是感應式(Qi)，其操作頻率範圍介於100到300KHz，系統允許對單一裝置在非常靠近的距離且特定的方向充電，隨著無線充電在消費性與工業市場的需求提高而被許多設計者採用，無線充電使用的class D與class E諧振逆變拓撲不是新的技術，但因為其諧振耦合的優點早已被使用在射頻的應用，這些拓撲被應用在無線充電的發射端，其可達到高效率在1到10MHz的操作頻率範圍。 AirFuel聯盟提出操作頻率6.78MHz在工業、科學與醫學領域的方法，利用高Q因子諧振器之諧振感應耦合來達到較弱的磁場與較長距離的功率傳輸，這可以同時對幾個不同方向的裝置充電。法拉第定律說明線圈的磁場變化造成電位的產生，無線功率傳輸中之RF功率放大器驅動功率傳輸單元(PTU)，是由一個調諧電路的線圈去產生一個變化的磁場所組成。 相對地，功率接收單元(PRU)也是由一個電路的線圈調諧在相同的頻率所組成，兩者間交錯的磁場而感應電壓，這個電壓取決於磁場通量的變化率與線圈圈數，接收單元的線圈輸出電壓經過整流然後轉換成手持式裝置所需的電壓範圍，耦合的好壞則取決於兩個線圈間的距離，這裡定義為耦合因子k，k值小於0.5代表著鬆散的磁性諧振耦合。 氮化鎵相對於矽是新的技術，其優點早已驗證於RF系統之應用，目前也因為優異之品質因數(Figure of Merit)而被許多電源應用所採用，圖1顯示氮化鎵技術與幾家不同廠商矽技術之比較，以對數的表示方法來幫助了解氮化鎵技術所帶來跳躍式的進步。 圖1　氮化鎵與矽技術在FOM之比較 採用氮化鎵放大器　電路調諧更容易 為了方便瞭解class D的功能，將圖2分成兩個方塊來做說明： 圖2　class D功率放大器簡化圖 ．切換開關：將輸入Vin直流訊號建立成方波。 ．濾波器：LC濾波器會將雜訊濾除，並以相同的頻率在輸入的方波建立正弦波，此外LC諧振器還能夠阻隔直流，因此跨在負載上將會只有交流訊號。 經由濾波器一次諧波之正弦波電流可以容易地計算得到跨於負載的電壓，LC阻抗考慮一次諧波在諧振頻率為零，負載的輸出電壓如公式1所示 　公式1 輸出功率則為 公式2  整理式1與式2可以得到輸入電壓： 公式3 Class D拓撲操作在零電壓導通的切換頻率為6.78MHz，高切換損失將會造成低效率，傳輸天線的電流通常都不大(1~2A)，為了能夠傳送足夠大的功率，輸入電壓(50~100V)就得提高，高輸入電壓與高切換頻率需要操作在零電壓切換以降低功率損耗，為了達成零電壓切換，常用的方法之一是額外加一組LC網路以建立三角波電流。三角波電流確保半橋的中點電壓在死域時間(Dead Time)消失之前完成轉態，class D拓撲的設計準則如公式4： 　公式4 其中的QOSS為切換開關的輸出電荷，∆I 為零電壓網路所產生的漣波電流，公式4表示較低的切換開關輸出電荷，將會導致較低的漣波電流，換句話說，當漣波電流固定，較低的切換開關輸出電荷，將會更容易達到零電壓切換。零電壓切換主要的功率損失，如公式5所示： 公式5 其中IZVSRMS是零電壓切換網路的均方根電流，ESRZVS則為零電壓切換網路的雜散等效電阻。零電壓切換操作取決於阻抗性負載，且需要適當地阻抗匹配，建議使用低QGD來確保萬一操作在非零電壓切換操作的時候，切換開關有較低的損失。 另外，切換開關的QG越低，相對地元件的驅動損失也可以降低，如圖3所示，氮化鎵電晶體相較於矽MOSFET的功率損耗可以降低30%，進而提高功率密度。 圖3　氮化鎵與矽於損失之比較 Class E功率放大器拓撲由提供直流的電感L1、切換開關Q1、諧振電路以及負載所組成。如圖4所示，Q１以固定50%責任週期的6.78MHz頻率做切換，當電路調諧至與汲極之半波弦波電壓相同頻率且峰值為輸入電壓的3.56倍，在下一個切換週期開始之前折返到零，如此以達到零電壓切換的操作，為了實現零電壓切換，負載阻抗必須為純電阻性，阻抗匹配網路放置於功率放大器與傳送諧振器之間，以取消所有無功的部分(Reactive Element)。 圖4　Class E放大器主要電路成分 L2、C1與C2的值是取決於諧振頻率，當開關關斷，C1與Q1的汲源r極等效電容並聯，而導致較高的諧振頻率，當開關導通，較低的諧振頻率則由Ｌ2與C2決定，對於零電壓切換操作，切換頻率必須在較高與較低之諧振頻率之間，當電路諧振在高於切換頻率，汲極電壓達到較高的峰值，可能為輸入電壓的7倍之多，汲極電壓會在下一個切換週期開始降到零，本體二極體在這一段時間內導通。 另一方面，當電路諧振低於切換頻率，汲極電壓在下一個切換週期開始之前不會降到零，這將會導致硬切換而造成高切換損失，尤其是在切換頻率6.78MHz時。為了達到較高的功率放大效率，電路必須被正確地調諧而且輸出電流不能太高，以避免L2的導通損失與在6.78MHz之集膚效應的渦流損失。 這裡以一個16W class E功率放大器，使用200V/125m歐姆 OptiMOS 3切換開關BSC12DN20NS3，為了評估功率放大器之效能與效率，其電阻性負載在5歐姆、15歐姆及25歐姆做測量，所量測而得之效率介於91~92%之間，25歐姆操作波形如圖5所示。 圖5　使用矽MOSFET之Class E放大器操作波形 圖5最下面的波形為汲極電壓，可以看到其形狀不是純半正弦波，在較低電壓時有擴散特性，這會形成在下一切換周期之前，汲極電壓還不會掉到零而導致硬切換，這個效應主要是由電路中MOSFET COSS所造成，矽MOSFET在低壓時其CＯＳＳ會增加很大而造成失真，雖然這電路還是操作在可以接受效率與硬切換損失範圍內，但是這造成電路需要重調，因而導致高峰值電壓且降低最大輸出功率能力，且輸出阻抗範圍也會降低。 如圖6為兩個功率切換開關之COSS特性比較，在低壓時氮化鎵電晶體之COSS增加較矽MOSFET為少。 圖6　矽MOSFET與氮化鎵電晶體之COSS比較 同樣地，同等級BVDSS與RDS(ON)的氮化鎵電晶體以相同電路量測，氮化鎵電晶體的汲極波形如圖7所示，較接近正弦波形，並沒有硬切換出現，峰值電壓為輸入電壓的3.56倍，亦即電路操作在理論之最佳化，允許操作在較寬的負載阻抗範圍，並且實際上的電路更容易調諧。 圖7　使用氮化鎵電晶體之Class E放大器操作波形 氮化鎵實現更高功率密度 本文介紹了無線充電之基本原理，並且列舉兩個常用在無線充電應用的功率放大器拓撲，比較矽MOSFET與氮化鎵電晶體之效能，氮化鎵電晶體具有較低閘極電荷、等效汲源極輸出電容COSS與零反向回復等優點，高效率與節省電路板面積，可以幫助電源設計者能夠達到高功率密度的需求 。 (本文作者皆任職於英飛凌)

BS45F3832整合霧化器控制與觸控檢水線路，提供8-pin SOP特小封裝，適合用在各式霧化器與加濕器相關產品，尤其適合在小體積產品/模組應用。 BS45F3832採用新型觸控檢水方式，大幅提升缺水檢測的準確性，同時可省去外部干簧管元件，內建霧化器控制模組單元，方便MCU對霧化器進行追頻與控制，強大的驅動能力可直接驅動功率MOSFET，運作效能高，不會有發熱問題，可省略MOSFET所需的散熱片，減少產品零件數目，同時降低生產BOM Cost以及PCB Size。 BS45F3832 MCU資源包含2K×16 PROM、64×8 RAM、32×8 True EEPROM及12-bit ADC；提供8-pin SOP、以及10-pin SOP二種封裝形式。

意法半導體(STMicroelectronics, ST)新款MDmesh系列600V超接面晶體管是為提高中等功率諧振軟開關和硬開關轉換器拓樸的效能而設計。 針對軟開關技術優化的閘極開啟電壓使新型晶體管適用節能應用中的LLC諧振轉換器和升壓PFC轉換器。動態電容電壓曲線有助於提高輕載效能，其最低16nC的閘極電荷量(Qg)可提供高切換頻率，這兩個優點讓MDmesh M6元件在硬開關拓樸結構中能帶來良好的效能。 此外，意法半導體最先進的M6超接面技術將RDS(ON)電阻降至0.036Ω，將有助於電池充電器、電源適配器、PC電源、LED照明驅動器、電信設備、服務器電源，以及太陽能微型逆變器等設備進一步提升效和功率密度。 封裝選擇包括節省空間和高熱傳效果的新型無引線TO-LL封裝，以及廣泛採用的直插封裝和表面黏著包裝封裝，包括DPAK、D2PAK、TO-220、TO-247和PowerFLAT。JEDEC註冊的TO-LL功率封裝較現有的7腳位D²PAK封裝，面積減少30%，且厚度薄了50%，可實現電路配置更密集、空間利用率更高的電源轉換器。TO-LL的低寄生電感還有助於最大限度地減少電磁干擾。 MDmesh M6系列屬STPOWER產品組合，其包含37款產品，並覆蓋13A至72A的額定電流範圍。MDmesh M6現已量產。

Maxim Integrated Products近日發布最新電源管理IC，提供業界最小尺寸和最高效率方案，應對下一代汽車應用的空間和電源設計挑戰。隨著數位儀表盤、無線音響系統和汽車子系統要求更高的計算能力，這些最新推出的大功率buck轉換器和多相Buck控制器可協助設計者兼顧低功耗、高效率和低EMI設計。 汽車電子系統正在變得越來越複雜，需要使用更多的電子元件，並透過更高功率的微處理器實現控制和監測功能。分析公司IHS Markit的資料顯示，到2026年，在汽車中採用更高功率的儀表盤、USB集線器、高級輔助駕駛系統(ADAS)、資訊娛樂和導航系統將推動電源管理IC實現10%的年增長率。在這一增長趨勢下，汽車需要在嚴苛的、空間受限工作環境中同時滿足功耗管理、效率、EMI和方案尺寸的需求，這給設計者帶來了諸多挑戰。 為了確保設計者實現目標，Maxim特別推出一系列汽車級IC，為管理直流電源提供多種選項，協助汽車OEM完成從20瓦處理器平臺向500瓦人工智慧平臺的過渡。Maxim最新的buck轉換器提供業界最小的方案尺寸，封裝大小僅為3.5mm×3.75mm。元件採用倒裝四方無接腳扁平(FCQFN)封裝，避免高頻開關節點振鈴，且不使用鍵合接線，進而降低了MOSFET開關的導通電阻，同時提高效率。

BS45F3832整合霧化器控制與觸控檢水線路，提供8-pin SOP特小封裝，適合用在各式霧化器與加濕器相關產品，尤其適合在小體積產品/模組應用。 BS45F3832採用新型觸控檢水方式，大幅提升缺水檢測的準確性，同時可省去外部干簧管元件，內建霧化器控制模組單元，方便MCU對霧化器進行追頻與控制，強大的驅動能力可直接驅動功率MOSFET，運作效能高，不會有發熱問題，可省略MOSFET所需的散熱片，減少產品零件數目，同時降低生產BOM Cost以及PCB Size。 BS45F3832 MCU資源包含2K×16PROM、64×8RAM、32×8True EEPROM及12-bit ADC，提供8-pin SOP以及10-pin SOP二種封裝形式。

半導體製造商ROHM針對以戶外發電系統和充放電測試儀等評估裝置為首的工業裝置用電源逆變器(Inverter)和轉換器(Converter)，研發出實現業界頂級可靠性的保證額定值1700V 250A的全SiC功率模組「BSM250D17P2E004」。 近年來由於SiC產品的節能效果優異，以1200V耐壓為主的SiC產品在車電和工控等領域的應用日漸廣泛。隨著各種應用的多功能化和高性能化發展，系統亦呈現高電壓化的發展趨勢，1700V耐壓產品的需求與日俱增。然而，因可靠性等因素影響，遲遲難以推出相對應的產品，所以1700V耐壓的產品一般均使用IGBT。 在這種背景下，ROHM推出了實現額定值1700V的全SiC功率模組，新產品不僅繼承了1200V耐壓產品深受好評的節能特性，還進一步提高了可靠性。 該模組通過採用新塗覆材料作為晶片的保護對策，並引進全新製程，使新模組通過了HV-H3TRB高溫高濕偏壓測試，讓1700V耐壓的產品得以成功投入到市場中。比如在高溫高濕偏壓試驗中，比較物件IGBT模組在1,000小時以內發生了引發故障的絕緣崩潰，而BSM250D17P2E004在85℃/85%的高溫高濕環境下，即使外加1360V達1,000小時以上，仍然無故障，表現出極高的可靠性。 另外，新模組中使用的是ROHM產的SiC SBD和SiC MOSFET。通過SiC SBD和SiC MOSFET的最佳配置，使導通電阻低於同等一般品10%，這將非常有助於應用裝置節能化。