替代傳統共振方式

本文討論的是如何在高功率的應用中，採用硬式切換方式替代傳統共振方式。硬式切換的功率架構提供系統上的優勢，例如複雜度較低，較高的內在可靠度，因此，能降低系統成本及加快上市時間。經過改善後的功率開關，開啟狀態時的電阻更低、切換的過渡更快速，使硬體切換和共振間的效率落差穩定地減少。本文中將敘述現今伺服器和電訊電源供應器的最新架構，方式是以兩個採用主動式（Active）PFC的1000W參考電路板系統，其主功率級採用的是相移（phase shift）ZVS全橋（full bridge）或用交插式（interleaved）雙電晶體順向轉換器（forward converter）做比較。在一個硬式切換系統中採用全新的高壓功率MOSFETs，從主功率級量測至輸出連接器的性能來看，可以達得超過91％的最大效率。與在共振系統中採用次佳的MOSFET的最大可達效率比較，這個結果顯示出相同，甚至更好的效率。

應用於運算和通訊中的電源供應器，一直面對增加功率密度需求的壓力，在相同或更小的尺寸中，被要求能供應比以往產品更多的功率。舉例來說，許多終端客戶都要求在相同的外殼和尺寸中，能將輸出功率升級20～30％，而且藉著效率的提昇，必須能夠有效的控制散熱的問題。於是，在這前提下產生了數個需求：改善半導體和被動元件的效益及創新架構，從全新半導體元件之功能中獲得有利的好處。低電壓隔離式的DC/DC作法提供了一些新方式和技術，能夠改善磁性和被動元件的使用，但是這些作法常常無法很順暢地擴展至較高的電壓和功率，因為和低壓半導體裝置相比較，高壓方面的性能受到相當的限制。

本文將探討最近發展的高壓超接合面（super junction）功率MOSFET以及矽晶碳化物Schottky二極體，並比較採用硬式切換或共振方式在性能、系統成本和可靠度方面的優缺點。

共振和硬式切換功率架構系統面

共振的方式，例如相移零電壓轉換（ZVS）全橋，能在零電壓時打開MOSFET，同時在全關閉（total turn-off）操作時，能夠做到在drain-to-source 電壓上升之前，完全關閉流過動態區的電流。以硬式切換方式打開時，儲存在輸出電容的能量會散發為熱力，以共振方式運作來保留此能量。共振的方式可除去在開關電源以及與輸出電容相關的損耗，因此可獲得效率的提昇。

不過，要獲得此種最高效率是必需付出代價，包括更高複雜度的系統、更高階的控制方式、粗大而高成本的共振電感器，以及在不正常工作狀況下對MOSFET二極體的可靠度之要求。而對變壓器來說，共振操作會降低初級端的dv/dt壓力以及次級端的di/dt壓力，零電壓操作則需要主動的使用功率開關的本體二極體。因此，具備快速恢復式本體二極體之MOSFET皆使用於高可靠度的應用中。此外，另一個常見的現象是當ZVS系統在輕負載狀態時，效率會降低，因此在設計和選擇功率MOSFET零組件時，這也是必需考慮的因素。

在高功率應用並需要高效率需求時，是否有替代ZVS全橋的方法？在大約400W以下的較低功率領域中，電源供應器的設計師都熟知雙晶體順向（forward）架構。不過，至今為止，高電壓功率MOSFET之效益並不能達到所要求的效率，以致無法將此方式使用在更高功率的層次。此架構簡單且有效率，其輸出級和電壓漣波及ZVS橋式完全相同。另一項好處是不需要共振電感，控制方式比較容易，在低負載的狀況下亦可維持高效率。為了要研究使用一個交插式雙電晶體順向（interleaved-two-transistor-forward；ITTF）解決方案之潛力，也就是能夠在更高功率的層次使用最新的功率半導體，因此建構出一個1000W ITTF的參考設計。為能做量測的比較，還建構了1000W的相移（phase-shift），兩個架構都有相同的PFC級。其目的是比較兩個方式的效益，在PFC中採用最新的矽晶碳化物（SiC）Schottky二極體，在PFC和PWM極中採用超接合面（super junction）MOSFETS做為主動式之開關。(表一)顯示一個相移ZVS和ITTF架構的重要特性匯總。

在進一步看設計和結果之前，將先討論高壓功率MOSFET和二極體的趨勢。

高壓功率MOSFET和二極體的趨勢

使用SiC Schottky二極體後，零逆向恢復充電整流就可實現(圖一)。現代功率MOSFET之快速接通速度可用來降低切換時之損耗。而超快速矽晶管腳整流器的逆向恢復電荷（silicon pin-rectifiers reverse recovery charge）是和整流速度、順向電流和溫度有關，SiC Schottky 二極體只有電容性位移充電，它是由裝置的結構所決定的，因此只和晶片的大小有關。圖一顯示相類似電壓電流規格的產品之比較。

在功率MOSFET上也已經做出了類似的優越效益，例如引入了超接合面（SJ）principle[2]等。高壓功率MOSFET和RDS採用了最近在2005年市場上所出現的技術，放入TO220中可以降低至低於100mOhms，用的是600V規格的MOSFETs[3]。由於MOS Cell的密度大幅度地增加，可持續改善現今的處理能力，具有更低的RDSon。(圖二)比較採用TO220封裝具有最低可達的RDSon之不同裝置，可能採用的是超接合面和標準的MOSFET技術。

類似的說法也適用於切換速度。標準MOSFET之上升和下降時間一般是在20～50ns的範圍，今日的效能已是低於5ns，可以降低接近十倍的開與關時之損耗。(圖三)將最新之技術與在TO220封裝中最低的RDSon做一比較。

兩個1000W參考設計之設計和實驗結果

對共振和硬式切換架構所做的研究，是採用兩個參考設計為基礎，在主功率級是使用一個相移ZVS全橋和一個交插式雙電晶體順向轉換器（ITTF）。兩個板子都是使用主動功率因素修正方式，以連續電流的模式用一個SiC Schottky二極體來昇壓。為能讓PFC級不要過於主導系統效率，因此選擇了高電源電壓（170～265V）作為輸入電壓範圍。PFC級和主功率級都使用130 kHz。兩個板子都可提供1000W至48V的輸出。ZVS之頻率為一倍，因此有較低的輸出電壓波動，而ITTF採用兩級分別在180°的相位差之下工作，如此亦可使漣波降低。在ITTF中還使用兩個獨立的輸出線圈，以最佳化整流器之使用，並且更能與ZVS板相比較。在兩個板子的電壓波動、輸出線圈和半導體都完全相同。(圖四)和(圖五)顯示兩個設計的實際電路圖和照片，採用的是相類似的電路安排和設計方法。

在系統效率的量測方面（主要輸入點至48V輸出連接器），採用新高壓功率MOSFET在全載時，相移ZVS架構會有1.2％之優勢，在整體效率超過90％時，這一點是很重要的。另一方面，和前一代的超接合面裝置、高壓功率MOSFET以及競爭者的裝置做比較時，很清楚的顯示使用高壓功率MOSFET的ITTF架構是超越以上所提到的功率開關所能達到的效率水準。所有的比較基礎都是採用相同的閘道驅動器和封裝條件。(表二)顯示其結果。

還有一組量測，是以負載為函數研究系統的效率。(圖六)顯示硬式切換的ITTF在部分負載狀況下，與共振ZVS架構相比較，仍可維持非常高的效率。在1/3負載狀況下，ITTF的效率會有7％提升。而ZVS從共振運作改成硬式切換時，ITTF可獲得負載電流降低的好處。

許多應用都經常在局部負載的狀況下運作，例如伺服器或電訊電源供應器等，在考量不是全載時的系統效率時，在電力的使用上和整個系統的熱管理上，就顯得更為重要。硬式切換架構在所展示的效率水平上將使系統不會變複雜，它是替代共振架構的熱門選項，特別是在功率水平高過1000W時，更是如此。

結論

高壓功率MOSFET讓一個硬式切換的1000W ITTF系統之效率在最大負載時，可達到一個採用次佳替代零組件之1000WZVS全橋系統的同樣效率水平（91％）。效率的量測是從主要輸入點至48V輸出連接器。在系統的控制方式、零組件數量會比較不複雜，因為沒有使用到MOSFET的本體二極體，可以降低每瓦之整體系統成本。此外，在部分負載條件下，ITTF 較有優勢，可看到在1/3負載時，和ZVS系統比較之下，可達到7％的效率改善。在高壓功率MOSFET開關和薄型SiC Schottky二極體的進步之下，今日的ITTF架構，在切換速度、電容量、閘道驅動功率、零二極體逆向恢復電荷上，都較有優勢。

（作者任職於Infineon英飛凌科技）

＜參考資料：

[1] H. Kapels, R. Rupp, L. Lorenz, I. Zverev, "SiC Schottky diodes: A Milestone in hard switching applications", Proceedings of PCIM 2001, Nuremberg, Germany, 2001

[2]T. Fujihira: "Theory of Semiconductor Superjunction Devices",

Jpn.J.Appl.Phys., Vol. 36, pp. 6254-6262, 1997.

[3]CoolMOS CS press released published March, 8th 2005 （www.infineon.com） ＞

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