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迎合高能效/功率密度趋势 GaN/铜材料成电源设计新宠

采纳GaN半导体材料所研制而成的功率组件进行电源系统开发,以及使用具极佳散热效能的铜合金做为电源模块封装材料,已成为产业界提高电源系统功率密度,达到更高能源使用效率,两大值得关注的设计新取向。

节能意识高涨,如何提高能源使用效率,已是产业界共通的发展课题。 然而,现今电子系统不断朝向大功率发展,且系统外观尺寸必须维持不变,甚至要进一步缩小,这将使得电源系统散热和转换效率面临严峻的挑战;加以目前硅材料制成的功率组件性能逐渐接近理论极限,很难再有突破, 使得电子系统电源效率的提升也变得十分有限。

为突破此一瓶颈、提升高功率电源系统能源效率,半导体业者无不积极研发新的组件和技术;其中,采用氮化镓(GaN)材料所制成的功率组件,由于可实现更高的开关(切换)频率,且导通和开关损耗极低,还拥有比硅场效晶体管(FET) 更出色的反向恢复(Qrr)特性,因而能满足市场对电源系统更高能效、更高功率密度且体积精巧的要求。

GaN大量商用脚步加快

以长期投入在功率半导体发展的英飞凌(Infineon)来说,其所研发的GaN组件除已大量用于D类(Class D)音频放大器设计,改善音质、效率及尺寸外,近期更协助台达电旗下总部位于挪威的高阶电源供应器开发商Eltek, 成功将电信与数据中心用的电源转换模块,从先前92%的转换效率提升到98%的新境界。

英飞凌大中华区电源管理及多元电子事业处资深主任工程师杨东益(图1)表示,硅金属氧化物半导体(Silicon MOS)自1960年代就开始被业界采用,至今已逐渐出现瓶颈。 节能、高效率、高功率密度等新的需求,促使宽能隙(Wide Band Gap)材料被开发出来,其中又以碳化硅(SiC)和GaN最具代表性;而GaN可以突破硅材料的限制,达到更小型化、更高效率的设计。


图1 英飞凌大中华区电源管理及多元电子事业处资深主任工程师杨东益表示,GaN功率组件的出现将让过去难以实作但效能不错的拓扑电路得以一展长才。
杨东益进一步指出,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构中具有一层二维电子云(2DEG)信道,是主要电流来源,并可实现双向导通,这也使得GaN成为一种超高速、耗尽型(Depletion-mode,另一说法是常开型( Normally-on))组件,不容易将其应用到传统电力电子电路拓扑中,于是业界便开始利用制程方式把它变成常闭型(Normally-off),使其更便于应用。

杨东益解释,要实现常闭型GaN HEMT主要有两种做法(图2),第一种是在高压GaN底下串一颗低压金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET),采用此种设计的GaN组件称为Cascode GaN。 其驱动方式与传统硅MOS一样,但由于是两颗裸晶(Die)设计,制程较复杂,杂散效应影响也较大,可靠性风险高,应用也有限。


图2 GaN功率组件依设计方式可分为Cascode GaN与eMode GaN两种。
数据源:英飞凌
第二种做法是透过制程方式把GaN做成常闭型,这种设计称为增强型GaN(Enhancement-mode, eMode GaN),只有单一裸晶,不会有杂散效应,也可用于低压应用,但其驱动方式跟传统MOS不同, 是必须克服的关键挑战。 尽管如此,eMode GaN因应用较弹性且效能更佳,且有利进一步整合,所以多数半导体厂皆选择此一方式开发新一代GaN功率组件。

杨东益认为,GaN在电力电子领域将扮演愈来愈重要的角色,因为它的出现,过去受限硅MOS特性而无法实现的拓扑电路,如图腾柱(Totem-pole)功率因子校正(PFC)的电路架构,如今将可大展所长, 为业界带来兼顾简洁与高效的电源系统。

成立于2014年的纳微(Navitas)半导体同样看好GaN功率组件发展前景,并致力提升GaN组件的整合度。 目前,该公司已开发出整合GaN FET、GaN驱动器和GaN逻辑电路的单芯片(Monolithic)GaN功率IC。

高整合GaN功率IC 革新电源转换器设计

纳微半导体现场应用工程和技术市场总监黄万年(图3)谈到,过去40年电力电子技术历经过两次革命,第一次是1977~1987年间从线性整流器进入到切换式整流器世代,让这10年间切换频率从50Hz变化至30kHz, 而功率密度则提升五倍之多。


图3 纳微半导体现场应用工程和技术市场总监黄万年指出,GaN功率组件的商用开启了第三阶段电力电子技术革命。
第二次是1987~2017年,此30年间主要有超接面(Super Junction)Si FET、同步整流及准谐振(Quasi-resonant, QR)等技术进展,切换频率则由30kHz变化至65kHz, 功率密度的进展则提升约10%。

黄万年认为,GaN功率组件的商用可望开启第三阶段电力电子技术革命,迈入更高功率密度的新里程碑。 他预期,2017~2027年间将出现各种新的GaN功率IC、磁性组件、控制器及新的拓扑,促使切换频率由65kHz往1MHz发展,进入高频切换式整流器的世代,期间功率密度将再现五倍的增长幅度。

要实现更高功率密度,单靠传统硅功率组件是无计可施的,因为一旦把硅功率组件的切换频率拉高,随之而来的将是更高的切换损耗,以及更大更昂贵的磁性和被动元的使用,悖离原本目标。 而宽能隙GaN的使用,则是突破此一瓶颈的良方。

黄万年进一步指出,与现今分离式GaN功率方案相比,高整合的GaN功率IC不仅切换频率可更高,效率也再上层楼,因而能达到更好的节能效果,并同时实现小尺寸、低成本和更快速充电。

目前纳微半导体推出的高整合GaN功率IC,主要锁定消费性电源转换器和充电器等应用。 值得注意的是,为能让GaN功率IC的特性获得更大的发挥,该公司针对小于75W的低功率电源转换器,采用了主动箝位返驰(Active Clamp Flyback, ACF)架构进行设计。 黄万年透露,GaN功率IC搭配ACF拓扑不仅能同时解决切换损耗和系统损耗问题,还能很容易实现在各种负载下达成零电压切换(ZVS),达到更高的效率。

电源模块进入铜世代

高功率密度电源系统的开发,除得突破切换频率的关卡外,亦须克服相应而来的散热问题,也因此电源模块制造商已积极寻求铝以外的新封装材料,而导热系数相对较高的铜,遂成为优先考虑的替代之选。

已开始采用铜合金做为电源模块封装材料的美商怀格(Vicor),便是看准高能效、高功率密度的电源设计势不可挡,因而在2017年首度引入铜材料至其最新的电源模块产品中。

Vicor应用工程师杨有承(图4)表示,过去30年间,约每两年功率密度就会增加一倍,因此该公司的电源模块封装技术不断演进,为的就是解决功率密度增加所导致的散热问题。


图4 Vicor应用工程师杨有承谈到,功率密度提高所衍生的热问题,促使电源模块封装进入铜世代。
举例来说,2015年Vicor发布的VIA(Vicor Integrated Adapter)新产品,即一改过去仅透过电源模块与印刷电路板接合面来散热的作法,而是利用模块的上下两面同时散热。

另外,杨有承也提到,现今服务器中央处理器(CPU)耗电愈来愈大,动辄1、2百瓦,峰值耗电甚至高达4、5百瓦,使得数据中心热问题日益严重,因此Vicor新研发出采用铜材料的表面黏着(Surface Mount, SM)封装, 进一步提高散热效果。

这种SM-ChiP(Converter Housed in Package)电源模块,接脚系以铜材料为主,但会镀上一层黄金或钯金(Palladium)避免氧化;模块外层因为不需导电,且要用来散热,故内部会以铜为主, 表层则会镀上薄薄的镍和黄金。

杨有承补充,一般而言,散热可透过辐射和传导两种方式。 现今电源模块封装,大多是采用铝材料来进行热传导,因为从导电率、阻抗、导热系数、价格等多重因素综合评估下,铝的性价比是最高。 铜的导热系数比铝更好,但价格相对较贵,多半会用在较高阶的产品。

据了解,目前在数据中心服务器、超级计算机等处理器电源的设计上,皆已开始运用铜合金封装的电源模块。 甫于2017年底获得全球五百大超级计算机排名前五大殊荣的日本ExaScaler公司的超级计算机晓光(Gyoukou),即采用Vicor新型SM-ChiP电源模块。

杨有承透露,超级计算机晓光所使用的是Vicor称为合封电源(Power On Package, PoP)的新技术,其是将两颗SM-ChiP电源模块放在处理器所在基板上(图5),直接供电给处理器,从而提升系统电源密度及处理器效能。 未来,耗用极高电流的人工智能(AI)处理器和48V无人自动驾驶系统,亦须仰赖此一创新技术进行供电设计。


图5 Power On Package架构示意
数据源:Vicor
电源噪声不容轻忽

在追求高功率密度与能效电源系统的同时,除了选用切换频率更高、散热效果更好的电力电子组件外,电源噪声与电源讯号完整性(Power Integrity)等实务设计环节亦不容轻忽,因为这对整体系统运作稳定性大有影响。 授权经销是德科技(Keysight Technologies)电子量测仪器的克达科技资深应用工程师冯育隆(图6)即指出,80%硬件电气问题皆源自于电源讯号完整性;因为电源噪声会导致抖动(Jitter)等系统讯号失真。


图6 克达科技资深应用工程师冯育隆强调,系统讯号失真问题近八成系源自于电源讯号完整性的问题。
冯育隆进一步分析,早期IC工作电压在5V、3.3V,IC工作时能容忍的压差约10%,涟波(Ripple)电压要求约100mV,这在量测上相对简单。 但现今IC工作电压已降至1.8V、1.2V甚至1V,容忍压差到3%左右,涟波电压也要求在30mV以下,因此电源噪声问题将愈来愈受重视。

一般来说,要改善电源完整性,会透过优化DC-DC转换器闭回路(Feedback-loop)设计来达成,亦即提升整个回路的稳定性,并提高瞬态反应速度,从而让系统更加稳定。 然而,现今涟波要求愈来愈低,只靠上述方法无法完全解决,而须进一步测量电源传输网络(Power Distribution Network, PDN)的阻抗,然后设法抑制PDN阻抗,让VDD的涟波可以达到30mV以下的要求。

冯育隆说明,整个PDN量测主要观察四个部分:首先要观察DC-DC转换器闭回路增益,它必须达到一定数值,才能成功抑制PI端的噪声。 接着是量测DC-DC转换器的输出阻抗。 第三部分要量被动组件的阻抗,以便确知在每个频段是不是可以得到正确的值。 最后则是看SI端的PDN阻抗。 由上面四个部分的值,来确认能否将涟波抑制到30mV以下。

为了精准量测PDN数值,冯育隆建议使用是德科技E5061B向量网络分析仪,原因在于它支持的频率范围最低到5Hz,最高到3GHz,而PDN量测最高只要到1GHz就足够;再者,它可以看到1mΩ等级的阻抗。 另外,在量测电源传输涟波时,则建议使用专为电源完整性量测而设计的N7020A电源探棒搭配S系列示波器,其具有mV级灵敏度,达2GHz的带宽,可让用户更精确地探测直流电源上的噪声、涟波和瞬时, 确保设计的产品能够满足严格的容忍度要求。 经过电源完整性和电源传输网络量测程序后,开发人员可借助仿真软件进行分析,以便正确的配置电容,让电源噪声的问题真正获得解决。

来源:新电子