#電源設計 #功率器件 #智慧功率模組IPM #寬能隙WBG #碳化矽SiC #氮化鎵GaN #閘門驅動器

【高壓、大動力系統，SiC 撐場】

當人們將 SiC 與 GaN 相提並論時，除了高效率、低損耗、小型化等共通優點外，就功率器件而言，現階段在應用取向仍有分野：SiC 多用於消耗大量二極體的功率因素校正 (PFC)、尤其是上千伏特 (V) 的高壓電源產品；而 GaN 多用於高功率密度 DC/DC 電源的高電子遷移率電晶體 (HEMT) 以及 600V 以上的 HEMT 混合串聯開關。

SiC 在相同尺寸下可帶來更高的電壓擊穿性能，在失效前可承受更高的溫度，即使在高溫或低電流下也能實現「低導通損耗」，使得 SiC 器件能耐受 200℃ 工作溫度，也可避免低負載或空載時的無謂浪費，因而成為太陽能和汽車的新勢力；SiC SBD 常用於太陽能，而 SiC MOSFET 則用於高功率電源、驅動電子開關、智慧工控和車輛電氣化等。

SiC 功率器件的較高 dV/dt 額定值也帶動「隔離」需求，意在更好地控制電磁干擾 (EMI) 標準。利用電容隔離技術大幅延長絕緣層 (insulation barrier) 的使用壽命、簡化設計並實現更高的系統可靠度，大幅節省能耗、監控高壓系統，並對過電流事件提供有效保護。值得留意的是，SiC 在 PFC、UPS、消費電子和電動汽車等 900V 以下低電壓產品正面對 GaN 的強悍搶市，轉攻 1200V 以上市場；為彌補成本並最大化利潤，供應商正努力提供系統級解決方案、而非單純組件。

高性能材料亦會導致印刷電路板 (PCB) 佈局變得更加困難，「虛擬原型」的佈局後分析是管理這一挑戰的理想選擇，但前提是須具備複雜的通用電磁場解算專業。為簡化開發工作，量測廠商將開關模式電源 (SMPS) 設計的效果予以「可視化」，讓工程師無需花費時間建構和測試原型。

延伸閱讀：
《碳化矽：損耗低、導熱佳，支撐 kV 等級的高壓應用》
http://compotechasia.com/a/feature/2019/0409/41525.html
(點擊內文標題即可閱讀全文)

#科銳Cree #Wolfspeed #羅姆半導體Rohm #英飛凌Infineon #意法半導體ST #通用電氣GE #富士電機FujitsuElectronics #電裝Denso #豐田汽車ToyotaMotor #豐田中央研究所CRDL #三菱Mitsubishi #松下Panasonic #住友電氣SumitomoElectric #日立Hitachi #世紀金光半導體CenturyGoldray #株洲中車時代電氣CRRCTimesElectric #中國國家電網SGCC #電子科技大學Uestc #瀚薪科技HestiaPower #亞德諾ADI #UnitedSiC #德州儀器TI #是德科技Keysight

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【高壓、大動力系統，SiC 撐場】

當人們將 SiC 與 GaN 相提並論時，除了高效率、低損耗、小型化等共通優點外，就功率器件而言，現階段在應用取向仍有分野：SiC 多用於消耗大量二極體的功率因素校正 (PFC)、尤其是上千伏特 (V) 的高壓電源產品；而 GaN 多用於高功率密度 DC/DC 電源的高電子遷移率電晶體 (HEMT) 以及 600V 以上的 HEMT 混合串聯開關。

SiC 在相同尺寸下可帶來更高的電壓擊穿性能，在失效前可承受更高的溫度，即使在高溫或低電流下也能實現「低導通損耗」，使得 SiC 器件能耐受 200℃ 工作溫度，也可避免低負載或空載時的無謂浪費，因而成為太陽能和汽車的新勢力；SiC SBD 常用於太陽能，而 SiC MOSFET 則用於高功率電源、驅動電子開關、智慧工控和車輛電氣化等。

SiC 功率器件的較高 dV/dt 額定值也帶動「隔離」需求，意在更好地控制電磁干擾 (EMI) 標準。利用電容隔離技術大幅延長絕緣層 (insulation barrier) 的使用壽命、簡化設計並實現更高的系統可靠度，大幅節省能耗、監控高壓系統，並對過電流事件提供有效保護。值得留意的是，SiC 在 PFC、UPS、消費電子和電動汽車等 900V 以下低電壓產品正面對 GaN 的強悍搶市，轉攻 1200V 以上市場；為彌補成本並最大化利潤，供應商正努力提供系統級解決方案、而非單純組件。

高性能材料亦會導致印刷電路板 (PCB) 佈局變得更加困難，「虛擬原型」的佈局後分析是管理這一挑戰的理想選擇，但前提是須具備複雜的通用電磁場解算專業。為簡化開發工作，量測廠商將開關模式電源 (SMPS) 設計的效果予以「可視化」，讓工程師無需花費時間建構和測試原型。

延伸閱讀：
《碳化矽：損耗低、導熱佳，支撐 kV 等級的高壓應用》
http://compotechasia.com/a/feature/2019/0409/41525.html
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#電源設計 #絕緣柵雙極電晶體IGBT #金氧半場效電晶體MOSFET #開關損耗Switch Loss #傳導損耗Conduction Loss #相差損耗Phase-difference Loss #功率因數修正PFC #總諧波失真THD #氮化鎵GaN #超接面super-junction #AirFuel無線充電

【「控制器」是智能電源設計的關鍵】

如何實現智能環保的電源設計？從「提升電源轉換效率」著手、以降低開關損耗 (Switch Loss) 以及因阻抗而生的傳導損耗 (Conduction Loss) 是有效方式。在一般電源供應器將交流電的電壓轉成高壓直流電源的過程中，會因電壓與電流波形相位不一致而導致「相差損耗」(Phase-difference Loss)；若功率因數太低，就會浪費電力。

在此狀況下需要進行功率因數修正 (PFC)。因此，IEC 法規明訂電源供應器大於 75W、照明大於 25W 者，須加裝 PFC 裝置，儘量減少電壓與電流之間的相位差，以提高功率因數與降低電流諧波失真，歐美現已普遍奉行此規定。功率因數 (Power Factor, PF) 與總諧波失真 (Total Harmonic Distortion, THD)，是判斷 PFC 控制器效能的主要指標。

PFC 有主動式和被動式兩種：前者是由電感、金氧半場效電晶體 (MOSFET)、二極體 (Diodes)、電容以及控制 IC 等元件所構成，功率因數可達 0.9 以上，轉換效率較高；後者是以電感元件補償輸入電壓與電流之間的相位差，功率因數僅 0.7 ～ 0.8，但結構簡單、成本低是其優點。PFC 的操作模式又可基於功率等級，分為連續、非連續與臨界導通等三種模式：非連續與臨界導通模式適用小於 300W 的應用，連續模式則適用於 300W 以上的高功率。

當系統處於全載時最須留意的是傳導損耗；要降低 PFC 的傳導損耗，除了降低峰值電流外，還可透過採用低導通 RDS(ON) 電阻值之 MOSFET 達成目的；訴求低功耗的輕載或無載，高頻率開關所產生的切換損耗則是致命傷，可經由 PFC 控制器在輕載時降低切換頻率來實現。若再輔以突波模式 (Burst Mode)、優化待機／休眠／喚醒機制，就能打造最省電的系統。因此，電源設計是否夠智能省電達到低功耗高效率的要求，關鍵就在控制器。

以物聯網 (IoT) 應用為例，「系統及平台主機須永遠不斷線」(always- on)，是節能系統設計最大的挑戰所在。為降低待機狀態的功耗，「智能被動感測」元件是較建議的解決方案；它是類似 e-tag 的被動感測器，平時全然不須耗電，僅在需要時才讀取數據即可。然而，其它感測元件如光學／影像等此類 CMOS 感測器，卻必須「常保清醒」，否則就失去監控的意義；與此同時，運作需不需要採用電池？也是一個重要考量。

此外，要提高電源供應效率及降低損耗，輕載或無載狀態下的「降低損耗」極為關鍵，而「良率」 仍是氮化鎵 (GaN) 大量商用化的門檻；所幸，「超接面」(super- junction) 製程對加速普及貢獻良多。隨著技術的成熟、密度及效率的進步，GaN 市場可望在 2020 年來到價格甜蜜點。至於漸受矚目的無線充電，一開始就採磁共振及電源管理演算法 (PMA) 充電的 AirFuel，其無線通訊功能並非內建在功率模組中，可借助嵌入式調諧器 (tuning) 解決「倍頻」諧波的問題。

延伸閱讀：
《得 Fairchild 一甲子功力灌頂，安森美半導體電源轉換底氣足》
http://compotechasia.com/a/____/2017/0615/35752.html
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#安森美半導體ON Semiconductor #快捷半導體Fairchild

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