鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2019年02月17日
新一代電源核心:半導體和整流器新趨勢
目前智能手機的發展趨勢,系以更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率以及更快的處理器為主,但不斷提高的硬件規格,使其耗電量也越來越可觀,以2K屏幕來說,耗電量為1,080P屏幕的1.5倍以上,勢必會增加鋰電池的能量密度及提高充電速度,來延長手機使用的續航力。
所以,手機廠商為了兼顧手機輕薄外觀的市場需求,電池容量設計以3,000~4,000mAh為主流,也因此縮短充電時間的快充技術應運而生。目前市場上主要的快充方案有高通(Qualcomm)的QuickCharge、聯發科技(MediaTek)的PumpExpress以及OPPOVOOC等。
市場主要的快充方案
高通以提高充電電壓來縮短充電時間,從最早的QC1.05V/2A(最大功率10W)充電規格以及QC2.0兼容5V/9V/12V/20V四種充電電壓及最大3A的充電電流(最大功率18W),到QC3.0支援3.6V~20V的工作電壓動態調節(最大功率22W),比傳統5V/1A充電技術快4倍。
聯發科與高通的QuickCharge相似,以恒定電流及提高充電電壓至5~20V來實現更大的充電功率,最新的PumpExpress3.0宣稱能在20分鐘內將2,500mAh的電池從0%充到70%,比傳統5V/1A充電技術快5倍。而OPPO則保持5V充電電壓,提高充電電流至最高5A的方式來實現快速充電,宣稱只需5分鐘就可將容量3,000mAh的電池充入48%的電量。
為了縮短手機或是筆記型電腦等3C產品的充電時間,無論是提高充電電壓,或是充電電流,各家快充技術的本質都在于提高充電器的功率,由早期5W提高至22W,甚至未來USBPowerDelivery充電協議,功率最高可達100W(20V/5A),大幅縮短充電時間,也因此大功率充電器需求量增加在未來是可預期的。隨著電源功率的提高,電池勢必變得體積更大、重量更重,因此業界持續投入許多心力于半導體構造及封裝的研究與改良。
氮化鎵半導體
近年來,金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)已經成為切換電源的主要功率元件,從場效應晶體管(FET)、雙極性結式晶體管(BJT)、MOSFET、到絕緣閘極雙極晶體管(IGBT),現在出現了氮化鎵(GaN),可讓切換電源的體積大幅縮小。
例如,納微半導體(Navitas)推出尺寸最小的65WUSB-PD(Type-C)電源轉換器參考設計NVE028A,正是使用了GaN電晶體,相較于市面上現有基于硅(Si)功率元件的配接器尺寸[約98-115cc(6-7in3),重量約300g],Navitas基于AllGaN功率IC的65W配接器體積僅45cc(2.7in3),重量約60g,相當輕薄迷你。
就目前硅功率元件的切換電源來看,提高脈沖寬度調變(PWM)切換頻率雖可縮小電源體積,但伴隨著損耗提高而降低其轉換效率,及電磁干擾(EMI)的增加,需投入更多的EMI解決對策,因此業界以65kHz為一折衷的選擇。
雖然GaN具有切換速度快、導通損耗低、功率密度高等特性上的優勢,但使用者直接將電路中的MOSFET換成GaNFET,其成效往往不符合預期,原因在于須以GaN為設計中心,選擇電路線路架構及控制方法,才能將GaN的優勢充份發揮。NavitasAllGaN功率IC,將GaNFET、IC與驅動電路及邏輯電路做了高密度的整合,簡化復雜的線路設計,讓設計者可以很容易的應用并發揮其特性。
碳化硅半導體
除了GaN,碳化硅(SiC)是目前發展較成熟的寬能隙(WBG)半導體材料,在新一代電源中扮演了重要的角色,與傳統硅半導體相比,可應用在較高頻率、電壓與溫度的嚴苛環境下,還可達到低耗損高效率的特性。隨著全球對環境保護的重視,電子產品效率要求的提高,讓GaN與SiC成為世界各國半導體業研究的重點。
硅基IGBT一般工作于20kHz以下的頻率,受到材料特性的限制,高壓高頻的硅功率元件難以被實現,而碳化硅MOSFET不僅適合600~10kV的工作電壓范圍,同時具備優異的開關特性,能達到更低的開關損耗及更高的工作頻率,如20kHz的SiCMOSFET損耗可以比3kHz的SiIGBT低一半,50A的SiC就可以代替150A的SiIGBT,SiCMOSFET的反向電荷Qrr也只有同規格SiMOSFET的5%,顯示碳化硅有傳統硅無可相比的優異特性。
另外,在碳化硅蕭特基二極管(SiCSBD)方面,它具有理想的反向恢復特性,當二極管由順偏導通轉變為逆偏關閉時,SiCSBD極小的反向恢復電流可工作于更高的頻率,在相同頻率下也能有更高的效率。且SiCSBD具有正溫度系數的特性,當元件溫度上升時,順向電壓VF也隨之變大,此特性若于并聯使用時,可避免元件發生熱失控(thermalrunaway)的狀況,也因此擁有更高的工作溫度,以及元件高溫可靠度,因此廣泛應用于開關電源中功率因素校正(PFC)電路上,PFC電路工作于300kHz以上,可縮小電感元件尺寸,使用SiCSBD可維持相同的工作效率。
在Si功率元件發展相對成熟的情況下,GaN與SiC功率元件雖具有特性上的優勢,但在制程上,其開發成本的花費要求仍較高,也因此GaN與SiC功率元件的應用至今仍未真正的普及。
貼片型橋式整流器的優勢
因應未來小尺寸、大功率配接器及快速充電器領域的開發,除了仰賴前述氮化鎵和碳化硅半導體的持續發展,就目前的硅功率元件來說,在電源輸入端的橋式整流器,用于充電器及電源配接器之交流(AC)輸入端作全波整流功能,其封裝形式也逐漸由體積較大的插件式,發展為輕薄短小的貼片型小尺寸封裝。
例如智威科技(Zowie)的4A橋式整流器Z4GP40MH,正是使用了SuperChip片型二極管封裝技術,將元件厚度由傳統KBP插件式封裝的3.5mm降低至1.3mm,元件尺寸也縮小至8.1x10.5mm,體積僅KBP插件式封裝的17.5%,不僅可縮小元件尺寸節省空間,也符合高度有限制的特殊應用需求。
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