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。

《圖一　超快速矽晶管腳整流器的逆向恢復電荷和SiC Schottky二極體在整流速度、順向電流和溫度上的比較。》

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。

《圖二　RDSon技術之精進以及目前600V規格MOSFET之電流處理能力。》

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。

《圖三　RDSon之最新技術和 600V規格MOSFET之切換速度》

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。

《圖四　實際相移ZVS和交插式雙電晶體順向架構之電路圖》

《圖五　 ZVS和ITTF板子之照片》

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。

《圖六　相移ZVS板和交插式雙電晶體順向轉換器在高電源電壓時以負載為函數所測量的系統效率》

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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