節(jié)能/高穩(wěn)定/高壓需求水漲船高　高功率密度電源應(yīng)用開枝散葉

在ESG、凈零碳排等風(fēng)潮下，節(jié)能減碳已經(jīng)是全球共識(shí)，企業(yè)必須在降低碳足跡、節(jié)約能源使用上，投注更多心力。同時(shí)電源應(yīng)用因應(yīng)小型產(chǎn)品需要輕薄化，以及大型產(chǎn)品講求電源供應(yīng)穩(wěn)定兩大趨勢(shì)發(fā)展。其中，GaN的材料特性不只能協(xié)助電動(dòng)車電池實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)計(jì)，還能透過小尺寸封裝，縮小電源IC尺寸。

隨著電源應(yīng)用開枝散葉，電源量測(cè)也從傳統(tǒng)的電流、電壓測(cè)試，發(fā)展出依據(jù)應(yīng)用情境的測(cè)試需求，因此產(chǎn)品開發(fā)人員需要選擇適合的儀器與測(cè)試平臺(tái)，以獲得精準(zhǔn)的量測(cè)結(jié)果。高階的工業(yè)設(shè)備方面，針對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生多樣化且耐受嚴(yán)苛環(huán)境的需求，因此設(shè)備供應(yīng)商採(cǎi)用高功率密度元件，同時(shí)增加設(shè)備的操作溫度范圍與耐震程度，以滿足高階的工業(yè)設(shè)備需求。

GaN電源高效精巧

電子產(chǎn)品的外型朝著更加輕、薄、短、小的方向發(fā)展，因此功率元件的尺寸也必須縮小，以符合未來的產(chǎn)品開發(fā)趨勢(shì)。Nexperia GaN首席工程師丁一峰(圖1)認(rèn)為，功率元件供應(yīng)商的目標(biāo)，便是試圖在更小的封裝中提升元件的功率密度。

圖1　Nexperia GaN首席工程師丁一峰認(rèn)為，功率元件供應(yīng)商的目標(biāo)，便是試圖在更小的封裝中提升元件的功率密度

例如MOSFET過去標(biāo)準(zhǔn)的封裝為5×6mm，現(xiàn)階段則有廠商積極在同樣的功率等級(jí)下，發(fā)展3×3mm的封裝設(shè)計(jì)，期望能夠提升產(chǎn)品的功率密度。通訊應(yīng)用的功率元件封裝則重視可靠度，不論有線或無(wú)線的傳輸，都需要確保裝置的可靠性，藉此強(qiáng)化電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性，避免裝置產(chǎn)生瞬間短路等現(xiàn)象。

以Nexperia的GaN大功率產(chǎn)品為例，目前發(fā)展12×12mm的系統(tǒng)封裝，其優(yōu)勢(shì)在于能夠減少產(chǎn)品的體積、獲得更良好的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)該封裝採(cǎi)用SMT封裝，并且可以透過機(jī)器打線，可以有效縮小功率產(chǎn)品的體積。

電源IC透過高度整合增加功率密度

安馳科技ADI產(chǎn)品線應(yīng)用工程專案經(jīng)理李景升(圖2)說明，高密度的電源需要具備的特質(zhì)包含能夠輸出大功率電流，同時(shí)產(chǎn)品能夠在縮小體積的同時(shí)增加電流，以便提升功率密度。為了達(dá)成高功率密度的目標(biāo)，廠商如ADI採(cǎi)用單片(Monolithic)、多輸出電源管理IC(PMIC)，以及結(jié)合電感器(Inductor)的單晶片三種形式，開發(fā)功率密度較高的產(chǎn)品。其中，Monolithic即是整合MOSFET與其他功率半導(dǎo)體元件，開發(fā)成半成品，只要依照需求加上電感和電容，半成品便能成為完整的Dc to DC模組。同時(shí)針對(duì)不同的功能需求，ADI推出不同規(guī)格的多組輸入IC，單一晶片即可產(chǎn)生多種的電源，包含一對(duì)二、一對(duì)三、一對(duì)六或一對(duì)八等等。針對(duì)電源轉(zhuǎn)換的需求，廠商可以在單一IC中整合電感及部分作業(yè)元件，開發(fā)較不易蓄熱，且電源效率高的產(chǎn)品。

圖2　安馳科技ADI產(chǎn)品線應(yīng)用工程專案經(jīng)理李景升指出，透過Monolithic、多輸出PMIC、結(jié)合電感器的單晶片開發(fā)功率密度較高的產(chǎn)品

電源量測(cè)需求多元化

不論消費(fèi)型、工業(yè)用等電子產(chǎn)品，包含智慧型手機(jī)、穿戴裝置、機(jī)器人、筆電、電動(dòng)車，涵蓋低耗電到高耗電的產(chǎn)品種類繁多，產(chǎn)品開發(fā)的過程與電源測(cè)試便高度相關(guān)。品勛科技技術(shù)經(jīng)理曾國(guó)鈞(圖3)分析，傳統(tǒng)的電源量測(cè)，大多只需要測(cè)量電壓是否穩(wěn)定輸出，以及電流能否正常供應(yīng)。但是隨著產(chǎn)品的多元化發(fā)展，電源應(yīng)用走向兩個(gè)極端方向，一是小尺寸、低耗電、低成本的應(yīng)用需求，量測(cè)時(shí)就需要確認(rèn)電源的功耗及續(xù)航力，大型產(chǎn)品則重視穩(wěn)定的電源供應(yīng)。所以面對(duì)不同的產(chǎn)品開發(fā)細(xì)節(jié)，開發(fā)人員須採(cǎi)用不同的測(cè)試步驟，電源設(shè)計(jì)才能符合產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3　品勛科技技術(shù)經(jīng)理曾國(guó)鈞表示，電源量測(cè)需要依照產(chǎn)品的應(yīng)用情境，執(zhí)行特定的模式測(cè)試

依照多元產(chǎn)品量測(cè)相應(yīng)的電源設(shè)計(jì)，首先仍需要確認(rèn)電壓穩(wěn)定。產(chǎn)品開發(fā)初期，在實(shí)驗(yàn)室裡只需要準(zhǔn)備一臺(tái)提供電力的設(shè)備，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品需要的電壓，就能執(zhí)行測(cè)試與研發(fā)工作。但是當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)線上量產(chǎn)時(shí)，便會(huì)透過產(chǎn)品抽測(cè)，確保產(chǎn)品出貨后仍維持穩(wěn)定。面對(duì)大量產(chǎn)品的測(cè)試需求，工程師便需要更大的電源供應(yīng)設(shè)備，同時(shí)執(zhí)行特定的模式測(cè)試，因此需要選擇適合的供電設(shè)備，以及功能完整、測(cè)試彈性足夠的平臺(tái)，才能在產(chǎn)品數(shù)量多，且未來產(chǎn)品可能不斷更新的情況下，順利完成產(chǎn)品的電源測(cè)試。

先進(jìn)設(shè)備首重電源穩(wěn)定

工業(yè)領(lǐng)域中，高階產(chǎn)業(yè)設(shè)備的供電系統(tǒng)發(fā)展，包含半導(dǎo)體設(shè)備、新能源設(shè)備、工業(yè)高階設(shè)備，共同面對(duì)電源設(shè)計(jì)的新興需求與挑戰(zhàn)。臺(tái)達(dá)電產(chǎn)品管理主任工程師張書毫(圖4)觀察，高階的工業(yè)設(shè)備因?yàn)榉N類繁多，必須滿足不同的電壓輸出需求，同時(shí)高階應(yīng)用重視穩(wěn)定性，因此設(shè)備的電源系統(tǒng)需要齊全的保護(hù)設(shè)計(jì)。上述應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)備電源安裝還要提高空間利用，也就是設(shè)備的電源設(shè)計(jì)必須具備較高的功率密度，再加上現(xiàn)階段企業(yè)關(guān)注ESG議題，因此設(shè)備也要符合節(jié)能考量，以達(dá)到企業(yè)所希望的ESG目標(biāo)，并且透過減少電費(fèi)來降低營(yíng)運(yùn)成本。

圖4　臺(tái)達(dá)電產(chǎn)品管理主任工程師張書毫分析，半導(dǎo)體設(shè)備的電源系統(tǒng)需求朝向多樣化發(fā)展

因此廠商如臺(tái)達(dá)電針對(duì)產(chǎn)業(yè)需求，整理出高階工業(yè)設(shè)備的工程規(guī)格。在降低發(fā)電與設(shè)計(jì)成本方面，採(cǎi)用高效率薄型化的電源設(shè)計(jì)，提供高密度的功率元件外，小尺寸則能增加客戶設(shè)計(jì)產(chǎn)品的彈性，保留更多的空間來應(yīng)用于客戶產(chǎn)品的系統(tǒng)升級(jí)?？剂坎糠值墓I(yè)應(yīng)用場(chǎng)景可能出現(xiàn)震動(dòng)或高溫等嚴(yán)苛環(huán)境，因此設(shè)備供應(yīng)商透過強(qiáng)化產(chǎn)品，來避免設(shè)備因?yàn)檎饎?dòng)導(dǎo)致電源損壞而停止運(yùn)作，同時(shí)提高設(shè)備的操作溫度范圍，以及採(cǎi)用壽命較長(zhǎng)的零件， 確保設(shè)備在嚴(yán)苛環(huán)境中，仍然維持高穩(wěn)定性的運(yùn)作。

GaN實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車電池高壓設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體應(yīng)用有助于達(dá)成全球的節(jié)能目標(biāo)，其中化合物半導(dǎo)體，如GaN的材料特性，在電動(dòng)車朝向高電壓設(shè)計(jì)的趨勢(shì)下，比硅基的IGBT更具優(yōu)勢(shì)。工研院電光系統(tǒng)所/EOSL感知運(yùn)算晶片系統(tǒng)組組長(zhǎng)莊凱翔(圖5)指出，分析半導(dǎo)體材料在能源方面的應(yīng)用，硅的使用范圍較廣，但是如果在特定領(lǐng)域，例如高功率應(yīng)用，以及為了提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)彈性而將功率元件縮小，功率元件需要提高運(yùn)作速度，而運(yùn)作速度受到不同半導(dǎo)體材料特性的影響，硅皆有其限制。例如1000V以上的高壓或者手機(jī)傳送無(wú)線電波等射頻應(yīng)用，考量功耗等方面的需求，硅不是最適合的半導(dǎo)體材料，這時(shí)便需要考慮採(cǎi)用化合物半導(dǎo)體，也就是SiC與GaN。

圖5　工研院電光系統(tǒng)所/EOSL感知運(yùn)算晶片系統(tǒng)組組長(zhǎng)莊凱翔表示，GaN的材料特性有助于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車電池的高壓設(shè)計(jì)

以電動(dòng)車為例，電動(dòng)車普及之后，充電方面就需要解決現(xiàn)階段充電速度過慢的問題，因此未來的電動(dòng)車車款，除了基本的動(dòng)力需求，電池的電壓會(huì)持續(xù)增加，以便在同樣功率下，將電壓提升、電流降低，縮短充電的所需的時(shí)間。已有高階車款採(cǎi)用800V的系統(tǒng)，現(xiàn)在多數(shù)電動(dòng)車雖然以300V的電壓為主，但是在可預(yù)期的未來，電動(dòng)車電池會(huì)朝800V設(shè)計(jì)。由于GaN先天的耐壓特性較硅佳且損耗更低，加上電動(dòng)車的電力系統(tǒng)不只要運(yùn)作，還需要移動(dòng)，所以除了提高能源效率，車體如果過重就會(huì)更加耗能，所以電動(dòng)車的電源設(shè)計(jì)必須兼顧省電、輕盈、小尺寸，而GaN都能滿足上述的設(shè)計(jì)需求，為電源設(shè)計(jì)帶來新的機(jī)會(huì)。

提高功率密度是現(xiàn)階段功率元件設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)，廠商在產(chǎn)品開發(fā)的思維以高度整合的IC切入，盡可能在維持效能的同時(shí)，縮小功率元件的尺寸。電動(dòng)車則因?yàn)榭斐湫枨螅姵仉妷翰粩嗵岣?，而GaN的材料輕薄與耐壓的特性，便為次世代高功率產(chǎn)品帶來新的設(shè)計(jì)可能性。產(chǎn)品量測(cè)則因應(yīng)多元化的電源需求，發(fā)展出針對(duì)產(chǎn)品量產(chǎn)環(huán)境情境設(shè)計(jì)的量測(cè)方案。另一方面，設(shè)備供應(yīng)商分析高階工業(yè)對(duì)于設(shè)備多樣性、供電穩(wěn)定的共同需求，強(qiáng)化設(shè)備的電源系統(tǒng)穩(wěn)定性。