如何正確應用適當的功率元件，滿足工業電源供應器的要求

工業應用的 AC/DC 電源轉換 (又稱為「離線」電源轉換)，與消費類和大眾市場設計所用的電源轉換有很大不同。一般來說，在工業應用中，電壓、電流和功率位準都要高很多，並且還有額外的熱與電氣耐用性要求，以及嚴格的啟用和待機監管規定，同時還須基於回授迴路和偵測故障目的，監控進行中的運行作業。

在這些情況下，若想產生有效的設計，關鍵在於電源轉換器控制電路或轉換器的核心元件，以及切換式功率元件及其支援元件。這些元件可用於實作選定的電源供應器拓撲，並以所需的電壓和電流提供經過穩壓的 DC 輸出。此類轉換器可能包含整合式功率元件 (如 MOSFET)，或是充當外部離散功率元件 (如碳化矽 SiC) 的控制器和驅動器。有些轉換器會為整個系統供應固定的 DC 電軌，而有些轉換器的功能則不太顯眼，但仍扮演著十分重要的角色，充當需要特殊開／關屬性的閘極驅動器。

本文將介紹適用於工業電源應用的各種轉換器拓撲，以及設計人員在選擇拓撲及其相關元件前必須考慮哪些因素。文中會以 ROHM Semiconductor 的元件作為範例，並介紹如何有效應用這些元件。

選擇電源轉換器拓撲

在選擇電源轉換器並開發符合工業應用嚴苛要求的供應器時，設計人員必須在多個選項與取捨以及專案優先順序之間做權衡。權衡的方法有很多，但最常用的方法是先考慮供應器所需的功率 (以瓦特計)，以及是否需要進行輸入和輸出隔離 (圖 1 和圖 2)。這兩個因素將給出可能的電源轉換器拓撲選項。

圖 1：電源轉換器的設計人員有多種拓撲可用，其通常與所需的功率輸出範圍相對應。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

圖 2：每個轉換器拓撲可以一個簡易的電路圖來說明。此圖顯示架構的核心，並按隔離類型 (底部) 和非隔離類型 (頂部) 對這些拓撲進行分組。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

請注意，這些都是切換式電源供應器 (SMPS) 拓撲，沒有一個是線性模式供應器。線性供應器僅用於亟需超低輸出雜訊的利基型應用，而這類應用可容許和接受相對較低的效率 (20% 至 40%)。但工業應用很少需要這種低功率相關雜訊。

當然，要決定「正確」的方法通常並不容易，因為有許多因素都可能會影響該決定，例如：

• 基本效能：包括輸入和輸出穩壓與暫態響應
• 耐用性：在某些情境下，有些方法更能耐受電氣應力與熱應力
• 工作模式：電源供應器可以是連續式、脈衝式或高度間歇式
• 超出供應器標稱功率的需求
• 解決方案成本
• 隔離需求
• 效率：短短一個詞語卻具有很多含義

幾乎所有的工業電源轉換器都需要實作 AC 線路隔離，透過使用變壓器實現升／降壓，確保使用者安全和系統效能。不過，即便有一次側變壓器，有些轉換器還是需要內部輸入／輸出隔離 (有時稱為浮動輸出) 來實現自身運作、多電軌之間的電氣分離或高電壓電軌自舉。這種輸入／輸出隔離可使用額外的變壓器或光耦合器來實作。

效率要求主導著許多設計選擇

在探討任何工業電源轉換器時，都須將效率視為第一優先考量。電池供電式元件的效率與運行時間息息相關，但 AC/DC 轉換器的效率則由其他目標所驅動：

• 運作成本：許多工業應用需要數百和數千瓦功率，這點特別重要，因為這類應用很多都是全年無休。
• 多餘熱量的逸散：由於空氣流通受限或是缺乏主動冷卻，許多元件中的環境溫度可能很高。高溫會產生元件應力、更快造成故障，並帶來停機時間和更換成本。電源轉換器效率低下會加重已處於高溫環境的熱負載。
• 監管問題：目前許多標準和規定都基於應用、功率位準和地區設定最低效率。這些標準還定義允許的最低功率因數，因此可能會要求在電源轉換器和供應器中增添功率因數校正 (PFC) 功能。

簡單的數學計算可顯示為何即使效率稍微改善，都很有意義且至關重要。試想一個效率從 65% 提升到 70% (看起來只增長 5%) 的電源轉換器。現在，換個角度來看，效率不彰度從 35% 降到 30%。雖然看起來也是增長 5%，但效率不彰度其實是減少 5/35，即 14% 左右。因此，效率從 65% 增加到 70%，代表效率不彰度減少 14%，因此成本和熱負載也隨之減少，並且可能還不需要額外的冷卻。這是個很大的改善並直接反映在熱設計需求和運作成本上。

實現更高的效率

要提高 AC/DC 轉換器設計效率，沒有一步登天的捷徑，尤其是在設計人員試圖提升少許百分比的情況下。效率的增長其實靠的是整合幾個大大小小的策略：

• 為轉換器選擇適當的核心拓撲，並確定最適合該方法和功率位準的切換頻率；此頻率通常在 100 kHz 至 1 MHz 之間。
• 最佳化電路：任何基本的設計都有許多造成效率低下的小來源，電源供應器設計人員已經找到方法來部分或大幅度地減少這些問題；雖然每個方法只能提供小幅的改善，但聚沙成塔。
• 使用本質上有利於提高效率的主動與被動元件；對功率元件 (MOSFET) 和某些二極體來說，如今這代表著改用以 SiC 製程技術為基礎的元件。

SiC 技術具有低導通電阻，且在高溫下具有優異特性，因此現已成為新一代低損耗切換與阻斷元件最可行的候選方案。比起只用矽，SiC 有著更高的崩潰電壓和其他特性，因此具有很多優點，包括： 

• 極高的臨界崩潰電場電壓，因此能以很薄的層，在指定電壓額定值下運作，大幅降低導通電阻。
• 更高的導熱率，能在截面積上達到更高的電流密度。
• 更寬的能隙，能讓高溫時的漏電流變得更低。因此，SiC 二極體和 FET 常常稱為寬能隙 (WBG) 元件。

讓我們做個粗略的「數量級」比較，以 SiC 為架構的 MOSFET 元件能阻斷的電壓，大約比矽元件高出十倍，並能以大約快十倍的速度進行切換，而 25°C 時導通電阻只有一半或是更少。同時，由於能在更高的溫度下工作 (SiC 為 200°C，矽為 125°C)，SiC 架構元件的散熱設計和熱管理變得更為容易。

ROHM Semiconductor 的 SCT3105KRC14 是能體現 SiC 切換元件功率處理能力的範例之一。這是 1200 V、24 A 的 N 通道 SiC 功率 MOSFET，其典型 R_DS(on) 值為 105 mΩ。此元件具有良好的熱阻特性，因此能相對於所施加的脈寬快速達到最大值 (圖 3)。

圖 3：ROHM 的 SCT3105KRC14 1200 V 24 A、N 通道 SiC 功率 MOSFET 具有良好的熱特性，即使在脈衝驅動下也能快速達到平衡。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

離散與整合式電源設計

在較低的功率位準下，不妨選擇將轉換器的穩壓器與相關功率切換元件整合在一起的 IC。優點在於，穩壓器和功率元件間的互連具有最佳化的路徑，而不可避免的寄生效應特性也在規格書提供的規格中有所描述。此外，如 ROHM 的 BD9G341AEFJ-E2 所示，其對外部元件的需求也降到最低。BD9G341AEFJ-E2 是一款整合有 150 mΩ 功率 MOSFET 的降壓切換式穩壓器 (圖 4)。

圖 4：ROHM 的 BD9G341AEFJ-E2 降壓切換式穩壓器將 MOSFET 與控制器整合在一起，最大程度降低所需的外部電路數量和複雜度，並讓解決方案特徵化程度幾乎達到百分之百。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

這款小型 HTSOP-J8 元件尺寸為 4.9 × 6.0 × 1.0 mm，非常適合用於工業配電應用。輸入電壓範圍為 12 V 至 76 V，輸出電流可高達 3 A。電流模式架構可提供快速的暫態響應及簡單的相位補償設定，並允許使用者設定切換頻率 (50 kHz 至 750 kHz)。

隨著功率位準 (以及由此帶來的電壓和電流) 增加，功率元件的封裝變得愈加關鍵，而使用獨立的個別元件也變得更加困難。在此類情況下，含有兩個或更多個功率元件的預封裝式模組是個不錯的選擇。例如，ROHM 的 BSM300D12P2E001 是一款半橋模組，含有兩個 SiC 雙擴散 MOSFETS (DMOSFET) 和 SiC 肖特基能障二極體，可承受 1200 V 和 300 A 的電壓與電流 (圖 5)。

圖 5：ROHM 的 BSM300D12P2E001 模組整合兩個連接式 SiC DMOSFET 和 SiC 肖特基能障二極體，因此能更輕鬆地在常見半橋配置中實現 MOSFET 配對，並能對所產生的效能進行特徵化。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

在單個模組內整合 MOSFET 及其二極體，可讓整個組件達到最佳的效能。其外觀類似長形的薄磚，尺寸大約長 152 mm × 寬 62 mm × 高 17 mm (圖 6)。另外，模組還含有獨立的溫度感測器 (NTC 熱敏電阻)，可監控熱量狀況，而其構造有助改善熱管理；在此電壓與電流組合下，熱管理將是個很重要的考量因素。之所以能達到此效果，是因為此模組可更輕鬆地將各個元件連接至電路板或散熱片，同時提供機械完整性，並確保穩固地連接耐用型電源線。

圖 6：ROHM 的 BSM300D12P2E001 半橋模組的封裝，簡化佈線連接、實體安裝，以及熱管理考量因素。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

驅動器對轉換器有效運作的重要性

無論是矽型還是 SiC 型 MOSFET，其導通和斷開都須考慮各方面的細節，如閘極驅動電壓、電流、迴轉率、暫態、過衝、輸入電容與電感，以及許多其他靜態與動態因素。閘極驅動器可充當中間的介面，一邊是從控制處理器輸出的相對簡單的低位準訊號，一邊是切換式元件的閘極輸入。這是一種特殊類型的電源轉換器，輸出能滿足作為轉換器負載的功率元件的要求。

當在半橋和全橋等常見配置中使用一對切換式元件時，驅動器區塊還必須確保高側和低側元件不會同時開啟 (哪怕只是一瞬間)，因為這會導致電軌和接地之間發生短路。此外，在有些功率元件應用中，不僅要確保一條或兩條功率元件路徑與系統接地進行電流隔離，同時還要確保為每條路徑提供匹配的效能。

為達成這些要求，一些功率元件廠商提供專為一或多個切換式元件設計的驅動器 IC。例如，Tamura/ROHM 的 2DU180506MR02 半橋閘極驅動器 IC，其特性和功能可為前述 ROHM 半橋模組提供很好的補充。有了此 IC，便能更輕鬆地為該模組提供指定的驅動器，同時添加各種保護模式 (圖 7)。

圖 7：Tamura/ROHM 的 2DU180506MR02 閘極驅動器 IC 經過專門設計，可用作控制處理器和 ROHM 的 BSM300D12P2E001 半橋模組之間的完整介面。(圖片來源：Tamura)

此閘極驅動器是一款小型模組，封裝高度 24 mm，安裝在一塊 65 mm × 100 mm 的電路板上。此板件可提供相關的連接器來連接 DC 電源、處理器介面及電源模組驅動器。另外，此閘極驅動器還提供幾乎所有功率元件都需要的重要監測功能，特別是那些用於大功率工業應用的功能，包括過載保護、過熱保護 (與電源模組中的熱敏電阻介接)、欠壓鎖定以及閘極驅動器故障指示器。

其他半橋閘道驅動器則具有更強的通用性。ROHM 的 BM60212FV 是一款 1200 V 高側和低側閘極驅動器 IC，適用於 N 通道 MOSFET 和 IGBT (圖 8)。此元件使用無線圈變壓器來提供磁性隔離，以實作高側所需的位準移位。不過，由於內部功能的其餘部分並未隔離，因此正式歸類為非隔離式閘極驅動器。

圖 8：ROHM 的 BM60212FV 高側與低側閘極驅動器 IC，在高側驅動路徑的位準移位電路中使用磁性隔離；低側路徑則未隔離。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

這款迷你零件採用 6.5 × 8.1 × 2.0 mm 的 SSOP-20W 封裝，可與 3 V 及 5 V 驅動訊號相容，並具有欠壓鎖定等功能。請注意，此 IC 已通過 EC-Q100 認證，這意味著其符合嚴格的汽車可靠性標準。雖然「符合汽車標準」和「工業級」是兩碼事，但有些設計人員喜歡在物料清單中，指定使用通過 AEC-Q100 認證的零件，作為在環境嚴苛的工業狀況下提升產品可靠性的方法之一。這些狀況包括電氣突波和 EMI/RFI、極端溫度的熱應力，以及熱循環和振動造成的機械故障。

測量電流

設計電源轉換器時，需要知道有多少電流從輸出流到負載，而這在工業應用中更幾乎是必要條件。在某些情況下，需要此電流值為轉換器提供回授，實現閉迴路效能；而工業環境中也需要此電流值來監測負載以及馬達停滯或故障等狀況。若想即時持續測量此電流，一個方法便是感測負載串聯電阻兩端的電壓。此電阻常稱為分流電阻。當然，這個叫法在此背景下其實並不恰當。

從概念上說，以這種方式測量電流，就是簡單地應用歐姆定律。但事實上，這在大電流的工業轉換器等應用中，會帶來許多挑戰。首先，設計人員必須確定適當的電阻值。這裡面臨著一個取捨：高電阻值可提供高 IR 壓降，從而提高解析度和雜訊耐受性，但這也會耗散更多功率、降低負載的電軌電壓，並可能對控制器／負載迴路的穩定性產生不利影響。

通常來說，最好選擇一個在最大電流下電阻兩端壓降約為 100 mV 的電阻值。計算後，即會發現感測電阻值處於毫歐姆範圍，這和其他電路功能中動輒數千歐相比形成鮮明的反差。

確定電阻值後，設計人員必須選擇具體的實體元件。考慮到電流值的大小，此電阻相對於大多數其他電阻，必須具有較高的功率額定值。此外，該電阻不能只在室溫下具有良好的準確性，還須使用材料和製造技術，共同確保較低的電阻溫度係數 (TCR)。當 TCR 較低時，電阻值不會明顯變化，就算環境溫度上升或溫度因自體發熱而上升亦然。

ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 分流電阻便是個很好的範例。這款被動元件看似簡單，但其實很複雜。這是一款 500 µΩ 的 ±1% 4 W 金屬元素元件 — 是的，其電阻僅為一毫歐的一半 (圖 9)。

圖 9：ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 等電流感測電阻，是一種複雜的被動元件，以專業的材料和技術精製而成，並具有毫歐級標稱值和極低的電阻溫度係數 (TCR)。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

雖然 PSR400ITQFF0L50 看上去就是一塊簡單的彎形金屬，但千萬別被這個外觀誤導。這款 5.2 × 10 mm 的元件以銅和金屬氫化物精心混合製成，TCR 為 ±175 ppm/⁰C。而該系列其他電流感測電阻的 TCR 有高也有低。相比之下，對於標準的低成本「普通型」電阻，TCR 大約為 ±2000 至 ±4000 ppm/⁰C，即比這些超低電阻的金屬板大功率分流電阻高出 10 至 20 倍。

在高電流值下使用分流電阻時，其實體安裝、散熱以及電氣連接都是非常重要的考量因素。若使用毫歐姆級電阻，所需的四線式 Kelvin 連接點必須具有極低的電阻。此外，在進行實際擺放時也必須確保能產生有效的讀數，而不會被這些連接電阻所破壞。

結論

由於應用環境嚴苛，工業電源供應器和轉換器的設計人員面臨著一系列獨特的挑戰，很難兼顧效能、成本、空間和可靠性需求。若想達到高功率位準，不僅需要額外地考量效率、散熱和封裝，還要解決閘極驅動器和電流感測問題。

如本文所述，在充分考慮應用需求的情況下，工業電源供應器的核心基礎元素 (包括離散元件、整合式與模組化功率元件)，能輕鬆應對工業級電源供應器和轉換器的挑戰。

參考資料

1. ROHM, “AC/DC Converter IC Guidelines”
2. ROHM, “AC/DC Converter IC Support Page”