高效轉換滿足節能需求 電源設計展現全新視野
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對電子設備效能影響至深的電源設計，近幾年內外兩面都有極大變化，內部變化主要是被稱為第三代半導體的GaN、SiC技術快速崛起，外部變化則是淨零碳排趨勢帶來的ESG議題，面對這兩大變局，電子設備業者必須盡快掌握新世代電源設計重點，於8月12日舉辦的「D Forum電源技術論壇」中，就邀請了產學界專家，深入剖析當前的技術趨勢與各項解決方案。
中央大學電機系特聘教授暨光電科學研究中心主任辛裕明首先在「如何克服GaN功率元件之轉換效率、可靠性難題」演講中指出，新世代半導體GaN(氮化鎵)主要聚焦於無線通訊與電源開關兩大領域，由他帶領的團隊之前就在科技部的射月計畫中交出亮眼成績單，完成GaN 650V元件，包括應用於雲端伺服器的1kW高功率高效率高頻轉換器與用於高功率筆電充電器的190 W積體化高密度高頻轉換器。
雖然GaN對高溫、高壓的耐受性佳，但要普及至商用市場，必須進一步降低開關損耗、縮小體積，同時提升可靠性，對此他建議高於650V的應用場域可嘗試使用不同材質的載板，提升耐壓和散熱問題。另外辛裕明也介紹所屬團隊的解決方案，此方案是整合Schottky p-GaN柵極二極管(SPGD) E-Mode(商用增強型) p-GaN柵極HEMT以形成SPGD-HEMT，具備更高的VTH和柵極可靠性，此做法可強化柵極能力，藉此提升可靠性。
同樣也介紹GaN的德州儀器FAE Peter Wang，在「使用TI GaN在高功率密度PSU之應用」議題中表示，為了提升能源使用效率，歐盟制定出電源供應器規範80 PLUS，要求業者保證電源供應器在20%、50%、以及滿載(100%)時有大於80%的轉換效率，GaN的高效率、高功率密度正可符合此要求。
TI所推出的GaN產品具備高整合與保護特色，可大幅降損耗並增加各種功能，緊湊型SMD封裝可降低寄生引線電感，並透過通過頂部與底部的冷卻設計強化散熱管理。針對AC/DC電源供應器，TI也推出多款GaN參考設計，TIDA-010062是1kW 80 Plus鈦AC-DC電源設計是全數位控制系統解決方案，包括PFC級與DCD級，整級在50%負載下，效率可達96.4%，在20%~100%負載之間效率高於95%，可實現80 Plus目標，此外TI的TIDA-010203、PMP22650、PMP40988與各種設計工具，也都有助於業者打造高效能、小體積的電源供應器。
工業場域對電源設計的效率與穩定性要求相當高，在「適用於工業電源管理應用的InnoSwitch3-EP」議題中，荷蘭商包爾英特台灣分公司資深應用工程師李皓鈞介紹了該公司的InnoSwitch3-EP。此產品採用包爾英特的PowiGaN，輸出功率高達100W，並提供725/750/900/1700 V等多個電壓額定值，最高返馳式效率超過93%，封裝採用具備薄型、寬間隔優點的InSOP，並有靜音操作與二次側整流器短路、開路SR閘極保護、無功損輸入UV/OV感測等保護功能，此外其暫態反應也十分卓越。
效能方面，InnoSwitch3-EP採用大幅降低切換損失的橫向功率MOSFET，並導入該公司特有的切換開關與控制功能，此外還有無功損感測、整合式啟動、FluxLink屏障穿透...等多項技術，可讓效能最佳化，在安全等級方面則通過UL和TUV安全認證與雜訊抗擾性標準，可確保在工業場域的運作穩定性。
多元應用帶來不同挑戰
電動車被多國政府視為落實減碳願景的重點政策，文曄科技ADI產品線應用工程專案經理陳奕全在「ADI電動車電源應用及低雜訊電源設計方案」議題中指出，ADI的電動車充電樁布局完整，從電源管理、MCU、隔離閘級驅動元件到通訊IC，各式關鍵零組件一應俱全。電池管理系統(BMS)部分，則有多芯電池組監控、電池電量計、SPI隔離器與MCU等產品。
在眾多產品中，他特別介紹CAN介面收發器ADM3051，此產品可縮短產品設計時程，並24 V總線電源誤接線至CAN總線I/O時，仍能讓系統穩健運作。在抗雜訊部分，他則指出EMI/EMC雜訊發射與開關轉換速度，是設計開關穩壓器時的關鍵權衡，選用速度較慢的開關轉換縮可解決EMI/EMC問題，但會導致電路尺寸變大、效率變低，ADI的解決方案則有助於業者設計出快速且低雜訊的開關，讓電源設計的效能最佳化。
與GaN同為寬能隙半導體的SiC(碳化矽)，近期的技術瓶頸也一再突破，ST亞太區電源管理市場及應用部門經理林宗義在「如何優化SiC在高功率之應用」演講中指出，SiC在混合動力車的MOSFET與二極體發展前景看好，研究機構指出，SiC已大量應用於汽車市場，此市場在2027年將佔SiC應用的75%以上。ST投入SiC研發已有多年，2007年就已推出第一代SiC二極體，2014年第一代SiC MOSFET問世，目前ST的SiC MOSFET已到第三代。
在二極體產品方面，ST的SiC解決方案目前有650V與1200V兩款產品，均可大幅降低切換損耗、提升功率密度。MOSFET部分則有STPOWER系列，電壓範圍從650V至1700V，擁有出色的切換效能和極低單位面積效能指數導通電阻，可協助業者打造更高效率、更小體積的系統，適用於電動車/混合動力車逆變器、太陽能/風力發電、高效率驅動器、電源供應器與智慧電網設備。
近年電子設備的功能與架構改變，電路需量測的電阻、電壓、電流越來越小，現有的設備逐漸難以符合市場需求，量測大廠是德(keysight)代理商克達科技應用工程經理馮育隆在「電源完整性量測」議題中，分析電源傳輸的網路阻抗與漣波量測。他表示一但電源完整性不佳，將引起諸多問題，而硬體的問題主要來自PI，因此準確的PI測量重要性逐漸升高。
他接著介紹是德的e5061B網絡分析儀，此儀器的頻率範圍從5 Hz至3 GHz，因此可以覆蓋PI的阻抗測量需求。至於在漣波部分，常見的PI電壓量測方式包括有倍率的被動或主動探棒、1:1被動探棒、同軸電纜、同軸電纜+直流阻斷器。由於傳統方式有局限性，因此是德專門為PI測量設計出專用探棒，其1:1倍率可解決衰減放大雜訊問題、2GHz頻寬可看到高頻細節，對SI的量測有極大的幫助，適用於大部份的電子電路應用。
IC是電子設備的關鍵零組件，愛德克斯電子FAE黃聖棻在「ITECH在半導體領域測試解決方案」表示IC設計十分複雜，邏輯閘數量從數百萬到數十億均有，每一個邏輯門和其他器件的電性參數必須同時達到標準，否則晶片可能無法正常運作。而一片晶圓通常有數十到數萬個晶片，因此保持製程的均一性也相當重要，不僅需監控關鍵的電性和物性，使其在整個晶圓的範圍內達到一定標準(SPEC)，而且每一片晶圓都須達到此標準。
為滿足這麼嚴苛的要求，必須引入統計製程管制機制，以完善品質監控。ITECH在半導體製程測試有完整布局，提供高壓大電流/低壓小電流/電源表、偏高壓大功率元件、老化測試與小功率設備電源產品，例如應用於離子注入機的IT-M3900系列、應用薄膜沉積設備的IT6000D大功率電源等多款測試設備，半導體業者可藉由ITHCH的各式設備，強化製程測試效能。
先進技術降低開發門檻
電源IC大廠羅姆半導體資深工程師郭文勇，則從不同角度解析新世代半導體的設計重點，他在「寬能隙半導體元件設計的成本挑戰」中先介紹該公司的功率元件布局，目前羅姆半導體擁有矽基超接合介面(Super Junction) MOSFET/Hybrid MOS、FRD和IGBT，SiC元件則有Schottky二極體和MOSFET，此外GaN-HEMT也已在研發階段。
該公司的SiC MOSFET包括離散元件與模組兩種，前者的代表性產品為BM61M41RFV-C，隔離電壓為3750 Vrms，可提供單一閘極驅動器電流隔離，並通過AEC-Q100與UL1577標準，模組則有C Type、E Type、G Type等三種產品，這三種模組均具備低切換損失、低寄生電感、低溫特色。Schottky二極體部分，羅姆半導體的產品已發展到第三代，在650V與1200V均有多款產品，廣泛的電壓電流範圍則可滿足不同設備需求。
電源IC產業大約每20年會有一次革命性突破，GaN與SiC是這波革命的領導技術，Ansys安矽思科技技術副理郭宗男在「微縮、高頻化的趨勢下，EMI和磁性元件的設計挑戰與模擬解決方案」演講中指出，相較於過去的功率元件，以這兩種新世代材料製成的功率元件，其正向電壓更低、逆向回復電流與逆向回復時間(Trr)也更少，這兩項特色都對EMI設計有所助益。
此外在GaN與SiC帶來的高頻與小型化整合需求下，業者也會面臨到效能、效率、安全、EMC、壽命、成本的設計挑戰，對此ANSYS提供完整包括功率元件、磁性元件與EMC設計的多物理模擬平台，希望能為使用者帶來無縫接軌的多物場模擬以及完整的產品設計體驗。他表示，模擬工作在初期的確耗時耗資源，但絕對能為產品設計帶來巨大的價值，業者可善用Ansys解決方案，藉此降低設計門檻，加快產品的上市時程。
論壇最後，DIGITIMES Research分析師王尊民針對寬能隙半導體在電源設計的應用趨勢與市場商機進行剖析。他表示寬能隙半導體因具備高頻及高功率特性，較傳統矽半導體適合功率及通訊元件製造，然考量於基板與磊晶製程過程須搭配適當的生成方式、基板晶格常數及成本變因，使得在電源設計領域，寬能隙半導體於功率元件生產中將以GaN on Si及SiC on SiC結構為主流。
雖然多數產品關鍵零組件於矽及寬能隙半導體相互共存，不過在高頻及高功率的特殊環境中，則須應用GaN、SiC功率元件。依據不同產品類別、基板及磊晶的取得難易度，GaN on Si供應鏈將以設計商為主導、SiC on SiC的關鍵供應鏈則在基板到IDM業者間。至於應用面，GaN功率元件發展主力在3C產品，如提供高功率密度及環境友善的GaN快充；SiC功率元件主要集中於車用市場，如供應消費者雙向及高充電效率的OBC產品。
隨著淨零碳排意識提升，無論是消費性產品或工業設備，對電源效率的要求都越來越高，此趨勢也對電源設計帶來全新挑戰，透過論壇中各領域專家的介紹，與會者將可進一步掌握市場脈動與設計思維，讓產品充分滿足市場需求，從而掌握新世代商機。
