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功率暨化合物半導體晶圓產能將於2023年突破千萬片大關

國際半導體產業協會(SEMI)近日發布功率暨化合物半導體晶圓廠至2024年展望報告(Power & Compound Fab Report to 2024)中指出,全球疫情蔓延下,半導體供應鏈一度受影響,疫後汽車電子產品不斷提升的需求即將復甦。全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產能2023年可望首次攀至千萬片晶圓大關,達每月1,024萬片約當8吋晶圓(下同),並於2024年持續增長至1,060萬片。 SEMI全球行銷長暨台灣區總裁曹世綸表示,碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)這類寬能隙材料,近一年以來在動力總成(Powertrain)、電動車車載充電器(EV OBC)、光達(LiDAR)、5G以及5G基地台等應用領域的普及,有很大進展。可預見的是,未來在汽車電子產品、再生能源、國防與航太等應用領域,其重要性不言而喻。SEMI看好全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產能,在未來將持續創下紀錄性新高。 預計至2023年,中國將佔全球產能最大宗,達33%,其次是日本的17%,歐洲和中東地區16%,以及台灣11%。進入2024年產業將持續走強,月產能再增36萬片,各地區佔比則幾乎無變化。 根據SEMI功率暨化合物半導體晶圓廠至2024年展望報告,2021年到2024年期間63家公司月產將增加超過200萬片。英飛凌(Infineon)、華虹半導體、意法半導體(ST)和士蘭微電子將扮演這波漲勢的領頭羊,共增加達70萬片。 全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產業裝機產能2019年同比增長5%,2020年增長3%,2021年則有7%的顯著成長。2022年及2023年將持續攀升,各有6%及5%同比年增率。 晶圓廠產業也正積極增建生產設施,預計2021年到2024年將有47個實現概率較高的設施和生產線(研發廠、高產能廠,含外延晶圓)上線。
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英飛凌力助光寶推SMPS交換式電源供應器

數位化趨勢愈加迅速,使伺服器裝置的數量激增,連帶電源需求也不斷上揚。同時,在全球暖化的效應下,如何提升運作的能源效率成為更加重要的課題。由北美80PLUS計畫(80PLUS initiative)於2004年所制定的測量標準可用於評估及認證交換式電源供應器(SMPS)的效率。SMPS若能在定義負載條件下達到80%以上的效率,即可獲得認證。取得80PLUS認證的解決方案對於降低因數位化而日益提高的電力需求很有助益。 為符合最高效率80PLUS鈦金認證的要求,在50%負載下,115V輸入電壓需達到94%效率,另外在230V電壓下則需達到96%效率。良好的電源供應器製造商光寶科技股份有限公司透過採用英飛凌科技(Infineon)的CoolSiC MOSFET 650V,滿足此項要求。 光寶科技管理階層深信,碳化矽(SiC)已成為太陽能逆變器等應用的主流。該公司與英飛凌的合作,成功展現碳化矽技術應用在伺服器電源供應器市場亦復如是。CoolSiC技術是這項應用的最佳選擇,證明了其在系統層級上的效能和成本優勢。光寶科技的碳化矽型SMPS已超越鈦金認證所要求的96%效率。 英飛凌功率與感測器系統部門高電壓轉換產品線負責人Stefan Obersriebnig表示,數位轉型影響了人類生活的各個層面,包括政治、經濟、社會和日常生活等。而數位化的骨幹,正是散佈全球各地數百萬部的伺服器。該公司CoolSiC技術能提供最高的能源效率和前所未有的功率密度,從而大幅降低能源消耗,降低碳足跡,為業者帶來節省營運成本的財務效益。 光寶科技的高效率SMPS採用英飛凌650V,TO247-3封裝的分離式碳化矽MOSFET,其中兩個被使用於圖騰柱拓撲,安裝於功率因數校正級。此外,該設計還搭載其他的英飛凌半導體,包括CoolSiC肖特基二極體650V及不同的CoolMOS和OptiMOS功率裝置。
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化合物半導體爆發可期 1~6吋小晶圓市場強強滾

雖然目前絕大多數半導體元件都已經改用8吋與12吋晶圓量產,但由於化合物半導體在許多特定應用領域上,擁有許多矽半導體所不具備的優勢,故隨著化合物半導體應用越來越普及,用來量產相關元件的1~6吋小晶圓,也呈現一片欣欣向榮的景象。 據Yole Developpement預估,從2019年到2025年,全球1~6吋小晶圓的市場規模將從48億美元成長到54億美元,複合年增率(CAGR)約1.8%。雖然這個數字看起來並不令人印象深刻,但如果排除矽晶圓,只觀察碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、藍寶石(Sapphire)與磷化銦(InP)等化合物晶圓,將會看到市場呈現出非常強勁的成長格局。 目前6吋以下小晶圓市場仍以矽晶圓為主力,但隨著越來越多矽晶片的量產改用8吋以上晶圓,6吋以下矽晶圓的市場將越來越小,只剩下已經十分成熟,即便改用8吋以上晶圓生產也不會帶來明顯效益的矽晶片產品,還會繼續以6吋晶圓生產。而碳化矽、砷化鎵、磷化銦等化合物半導體,將分別在電源與光電元件市場上攻城掠地,進而帶動6吋以下小晶圓的需求。 至於藍寶石晶圓方面,Yole Developpement認為這類晶圓可望因MicroLED應用規模逐漸放大而維持成長局面,但LED業界普遍認為,這個看法恐需要進一步釐清。MiniLED(外觀尺寸在100x100微米以上)製程跟現有LED製程相近,會用到藍寶石晶圓,故隨著MiniLED背光、直顯應用放量,藍寶石晶圓的需求確實有機會成長。但MicroLED(100x100微米以下)晶粒將不會有藍寶石層,故MicroLED能否支撐藍寶石晶圓成長,恐怕得先釐清MicroLED與MiniLED之間的界線。  
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英飛凌推伺服馬達用SiC MADK評估板

馬達應用占了電力電子應用市場的主要區塊。英飛凌(Infineon)日前宣布推出 CoolSiC MOSFET 模組化應用設計套件 (MADK) 評估板,有助於縮短該相關應用的產品上市時間。EVAL-M5-IMZ120R-SIC 評估板是最高 7.5 kW 馬達的 MADK 平台系列之一員,特別針對伺服馬達應用所設計的 3 相變頻器板。英飛凌首先針對此評估板提供相關的線路圖(PDF)、零件 (Excel)、布線 (Gerber) 和零件包裝(Altium) 等詳細資料,完整套件可從公司網站下載。因此,此評估板也可作為參考設計,加快設計流程。 將碳化矽技術用於伺服馬達應用,可減少高達 80% 的半導體功率耗損,甚至可省去馬達冷卻用的風扇,進而實現零維護 (zero maintance) 目標。此外,還能簡化整合馬達與驅動器的布線,節省變頻器機櫃的體積。該評估板的推出旨在協助客戶在其開發初期完成採用 CoolSiC...
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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)
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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)  
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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。
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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)
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電氣化/電動化加足馬力 車用電源設計效能零妥協

汽車電氣化、電動化的革命正加速上演,引發新的電源供應與管理設計轉變。最近的一個新發展即是48V電源架構的導入,與傳統的12V系統相較,48V系統滿足了以更低的成本和體積,提供更多的電力需求,並可顯著減少二氧化碳排放量,特別是在電動車的應用上,效益更為顯著。此外,自駕車的發展讓車用電子系統愈來愈多,也帶來電源設計上的新挑戰。 因應上述汽車發展的變化,半導體界已提出許多創新的電源技術與設計方案,其中,可實現更高功率密度的SiC和GaN等寬能隙功率半導體技術的引進,便是最明顯的例子;而針對車載處理器與ADAS系統對性能的要求,所研發出的新一代電源管理IC,也愈來愈受到車電系統開發商的青睞。本活動邀請相關領域代表廠商,深入解析這些新的汽車電源技術及其應用設計之道。 電動車近年快速發展,市場規模在2017年迅速突破100萬輛,貿澤電子(Mouser Electronics)亞太區行銷暨企業發展副總裁田吉平提到,原先預期2019年出貨量將持續大幅提升,無奈市場遭遇逆風,原因包括充電樁基礎建設未到位、整車價格過高、電池續航力不足等,都延緩了市場的發展腳步,不過人們對於電能的使用與依賴持續提升,也同時凸顯汽車電源技術創新與應用深具產業發展潛力。因此,貿澤電子邀集Vicor、Microchip、Toshiba Electronic、ADI、Maxim等國際重點電源技術廠商進行前瞻技術分享。 去中心化架構搭配48V傳輸系統 電動車電源設計過去是中心化(Centralized)的設計,電源由一個高壓核心透過傳輸架構提供相關元件使用,Vicor台灣區應用工程師張仁程表示,未來電動車將發展去中心化(Decentralized)的架構(圖1),以轉換效率94%為例,中心化的架構以3kW的供電源提供給各系統,將產生180W左右的傳輸與轉換損耗;而去中心化架構則透過多個分散且電壓降低到1kW的供電源,由於供電位置分散,且電壓轉換幅度相對較小,所以線損與轉換損耗幅度都降低,整體效率可以提升到97~98%,功率損耗僅約15W左右。 圖1 電動車電源供應去中心化(Decentralized)架構 分散式架構設計還具有電源模組封裝彈性(Packaging Flexibility)、電源轉換幅度小更接近傳輸電壓、散熱系統成本降低、供電系統備援、降低傳輸線路成本與重量等優勢。而在48V供電系統中,Vicor也致力於零電壓轉換(Zero Voltage Switching, ZVS)設計,張仁程認為,正弦振幅轉換器(Sine Amplitude Converter, SAC)拓撲結構就是其中的關鍵,該架構是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。透過SAC的高工作頻率,可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。 核心工作電壓提升SiC廣泛導入 寬能隙功率元件是近年來電源技術的熱門討論焦點,碳化矽(SiC)導通電阻RDS(ON)在工作溫度範圍內,變化不會超過30%,適合在高電壓、高溫與高功率環境下工作(圖2)。Microchip嵌入式解決方案工程師Sam Liu說明,未來幾年電動車有幾個明顯的發展趨勢,包括電壓將從400V提升到800V;馬達控制部分,也將導入SiC元件取代Si IGBT元件,以達成更高能量密度、效率、接面溫度與更小的模組尺寸;更高效率的供電到傳輸系統的電壓轉換;電動車內部的系統充電與外部的充電樁充電都需要更高效率,所以SiC將更廣泛導入這些系統的應用。 圖2 主流功率元件工作電壓與電源頻率範圍示意 Sam Liu強調,Microchip可以提供700V與1200V SiC模組、晶片與部分1700V元件,以達成上述幾個電動車的發展趨勢,未來更將1700V的完整解決方案納入。另外,Microchip的30kW三相Vienna功率因數校正(PFC)功能、SiC分離元件和SP3/SP6L模組驅動參考設計/驅動板,最高效率可達98.6%,總電流諧波失真小於5%,可有效協助系統開發人員縮短開發週期。 電源元件強化車輛電氣化效能 電氣化近年成為汽車產業發展的重點,而且變成不可逆的趨勢,台灣東芝電子零組件(Toshiba Electronics Components)將相關技術分成環境(Environment)、安全(Safety)與資訊娛樂(Infotainment)三個部分,並分別提供相關零組件解決方案。該公司系統元件與數位行銷部處長蔡佳言說,改善環境的解決方案特別強調高效能、小型輕量化與功能安全性,如馬達控制IC、光電耦合器、功率MOSFET、IGBT等元件。 另外,在安全性應用,蔡佳言提到,目前先進駕駛輔助系統分成感測、辨識、決策、控制幾個部分(圖3),而Toshiba Electronics Components則是專注於辨識功能的元件,可提供高辨識率、低功耗且適用於多個影像辨識系統的影像辨識處理器。而在資訊娛樂部分,則是提供車用遙控門鎖(Remote Keyless Entry, RKE)、ETC晶片、車用音響功率放大器(Car Audio Power Amp)與車用乙太網路AVB/TSN解決方案等。 圖3 先進駕駛輔助系統ADAS運作機制 DC/DC雙向控制系統轉換更順暢 車輛電氣化的過程中,48V電源傳輸系統越來越被重視,目前有許多車輛採用48V與12V的雙電池系統設計,ADI...
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臻驅攜手羅姆成立碳化矽技術聯合實驗室

中國新能源車驅動領域高科技公司臻驅科技與半導體製造商羅姆(ROHM)宣布在中國(上海)自由貿易區試驗區臨港新區成立「碳化矽技術聯合實驗室」,並舉行了揭幕啟用儀式。 相較於IGBT等矽(Si)功率元件,碳化矽(SiC)功率元件具有較低傳導損耗與開關損耗2、以及不易受溫度影響等優勢,因此能大幅降低損耗,並廣泛運用在電動車充電器以及DC/DC轉換器等相關應用。 自2017年雙方合作以來,臻驅科技和羅姆就針對SiC功率元件在車電應用的研發上展開深度的技術交流。此次聯合實驗室的成立,就是希望透過羅姆的SiC MOSFET裸晶片和絕緣閘驅動器等技術,更進一步推動車電功率模組和逆變器的研發。今後,雙方也將持續推出以SiC為主的創新電源解決方案。 臻驅科技董事長兼總經理沈捷表示,碳化矽功率半導體模組在新能源汽車上的應用,是今後業界的趨勢所在。藉由快速彙集全球資源、加速技術研發、並及早量產高度成熟的碳化矽產品,將能確保身為車電元件廠商的核心競爭力。臻驅科技自成立以來便得到羅姆的大力支援,希望能藉此聯合實驗室的成立,加深雙方合作關係,繼續攜手向前邁進。 羅姆執行董事功率元件事業本部長伊野和英表示,羅姆身為碳化矽元件商,在提供先端元件技術和驅動IC等電源解決方案上一直保有傲人的成績,並針對xEV的相關應用持續推動SiC的普及。在SiC功率元件的技術研發方面,掌握客戶需求和市場動向是非常重要的關鍵。做為車電功率模組和逆變器開發商,臻驅科技在SiC應用研究方面發揮了重要的作用。羅姆希望藉由聯合實驗室的成立,加強雙方的合作關係,透過以SiC為主的電源解決方案更進一步推動汽車技術的革新。
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