電源技術創新求變持續追求更高效能

2017/08/28 - DIGITIMES企劃

大至資料中心、電動車，小至3C產品及穿戴式裝置等，各種應用領域對於電源效率的要求越來越高。在此一趨勢下，電源架構勢必有所改變，相關元件材料也需進行創新，才能滿足日益嚴苛的電源需求。此外，擺脫線纜是充電方式的終極追求，包括手機、穿戴式裝置，甚至是電動車應用都在持續嘗試更高效率、更快速及更具成本效益的無線充電技術。

針對這些日新又新的技術及應用領域，DIGITIMES特別於日前舉辦「電源技術論壇 - 高效能電源技術設計趨勢」，邀請來自產官學界的專業權威人士分享電源技術的最新發展。

高效電源架構創新---改變架構拓樸設計精進包裝散熱技術

美商懷格應用工程師張仁程及村田(MuRata)電源研發處長Steve Lee針對高效率電源架構的創新提出看法。張仁程指出，近年來因應資料中心、工業自動化、電動汽車、通訊、高效照明、機器人、鐵路、航空等高階應用興起的趨勢下，對高效電源解決方案的需求日益增多，也帶動電源元件小型化且功率密度須不斷提升。

這些複雜又緊密的電子產品及系統已催生對更小、更有效率、更高密度功率的電源系統的需求，同時也是產品差異化與可靠度的重要關鍵。

因應前端(Front End)及負載點( POL)電源在高功率密度及高節能要求下所帶動整個供電的架構改變趨勢下，Vicor在拓撲(Topologies)及包裝散熱技術(ChiP and VIA 包裝)創新下做到體積小、重量輕、功率密度高、散熱容易、高轉換效率及高設計靈活性產品來實現高效電源設計需求，也詳盡介紹 Vicor前端(Front End)DCM(DC-DC module)/BCM(Bus converter module)/PFM(AC-DC module)及負載點(POL)高效電源解決方案和成功應用分享。

藉由Vicor所提供PCDM(Power Component Design Methodology)高效模組電源解決方案—從源頭到負載點—的高性能Vicor功率元件，顧客得以最大限度地簡化設計複雜度，降低成本，加速產品上市時程，藉而得以實現功率元件設計方法的完整價值。

村田Steve Lee則提到，要將電源轉效率由80Plus所訂定的黃金版等級提升到鈦金等級，也就是要將效率進一步提升，則可能需移除電源電路架構的橋式整流器(Bridge Rectifier)需求。

寬能隙材料半導體打造優質功率元件

提升用電效率，從材料著手是根本之道，瀚薪科技研發處長洪建中指出，SiC與GaN等寬能隙材料半導體具有高耐壓電場、高飽和電子速度，以及高導熱係數等特性，相當適合高功率、高頻率及高溫環境的應用，並能顯著改善系統電力消耗。例如，採用全碳化矽(SiC) 功率元件，系統能耗損失有機會降低50%，系統效率得以提高，且隨著操作頻率的增加，更帶來系統小型化的可能。

洪建中並特別介紹該公司所推出高整合度的SiC MOSFET解決方案。相較於其他同業提供由MOSFET和蕭特基二極體組合的離散式方案，瀚薪科技可針對客戶需求提供將MOSFET和Diode整合在同一顆晶片上的整合方案，提供逆變器(Inverter)所需，此方案在2017年5月於日本領先全球發表。他進一步說明整合蕭特基二極體及MOS電晶體成單晶片，好處是可實現更高功率密度及模組微型化的優勢。

瀚薪為純設計公司，目前員工數約20人左右，主要提供650伏以上的高耐壓大功率元件，此一重電領域應用對於功率元件品質的要求極高，因此瀚薪極力打造自有品牌的信賴度，於市場上日漸建立口碑。目前該公司已切入電源供應器、電動車及太陽能等市場，未來則將布局軌道交通、電網等應用市場。

應用領域需求不同電源方案特性殊異

不同應用領域對電源設計的要求各異，羅姆半導體台灣設計中心副所長林志昇和雅特生嵌入式電源應用工程師江佳璁，分別說明物聯穿戴裝置、車輛，以及工業、醫療等應用對於電源設計的特別要求。

羅姆林志昇提到，羅姆針對穿戴式產品的低消費電力需求而研發的Nano Energy技術，是將電源供應IC的電路電流減至最低，同時又能避免在輕載狀態下電源效率大幅下滑的技術。此技術實現低耗能、低待機電流功能，控制負載切換時的安定性，以達到單顆紐扣電池能使用10年的目標。

另外，羅姆推廣的能源採集EnOcean無線傳輸技術，是一種不需使用電池及額外電力的技術，在Energy Harvesting的概念下，此技術只需利用按壓或者結合太陽能就能產生極小電力傳輸的技術，EnOcean在歐美至今已導入超過40萬個案例。

此外，林志昇也介紹了該公司的超高速脈衝控制技術 (Nano Pulse Control)，此技術是集結ROHM的電路設計、製程等技術而成。ROHM新近利用此技術推出的車規電源IC，對於中度油電混合車等48V電源所驅動的車電系統具有重大意義。

林志昇進一步說明，近年來，汽車業界對於節能和環保性能要求日益嚴苛，促使許多業者開始將焦點放在採用48V電源系統的中度油電混合車。中度油電混合車和配備傳統12V電源系統的汽車相比，油耗改善效果顯著，成本效益也比高度油電混合車還要高。

Nano Pulse Control技術的導入，可以在2MHz的高頻運作時，將48V輸入電壓一次性降壓至3.3V的輸出。實現電源系統單晶片化，選用較小週邊元件實現應用裝置小型化及系統簡約化等優點。

可配置電源模組滿足工業及醫療需求

雅特生江佳璁則說明工業及醫療對於電源輸出的準確性、解析度和穩定性都有更高要求。例如醫療級的電源模組強調高精密度及可靠度，且在設計之初就需考量是否能通過相關的醫療安規，包括EN60601-1和UL ES60601-1等。至於工業用電源除了同樣要求可靠度外，還需符合各個工業領域的特定安全規範，以及一般來說較大的功率需求。

綜合以上，可配置電源模組能支援電源輸出的各項調整，且可進行全範圍的電源監控，因此能充分滿足各方面需求。所謂的可配置是指能提供可程式設計的電壓或電流源，且可以利用不同的插入式模組配置其輸出。江佳璁特別介紹該公司近期推出的智慧型電源模組產品 - iHP系列可配置模組化大功率電源系統。

此系列的輸出功率高達24kW，並以3kW為一增量單位逐步遞增，此系列最多可配置8個輸出，所以能滿足不同電壓和不同電流的要求，適用於多種不同的醫療設備和工業系統。

此外，iHP系列可配置模組還有幾個值得一提的特性：採用電流源模式時，輸出電壓成為負載阻抗和設定電流的一個函數；採用電流源模式時，最高的臨界電壓可以程式設定，因此一旦出現故障，也可保護串聯在一起的 LED；相關模組可透過ISOCOM電路板進行調控，讓旗標和故障結果可以預先設定，以便根據不同結果作出不同回應等。

雅特生科技專門設計和生產的電源轉換和嵌入式運算產品，其產品適用括通信、計算、醫療、軍事、航太及工業等領域。

無線充電熱門不同技術各擅勝場

談到電源技術，當然要談到近期頗為熱門的無線充電技術，目前除手機積極導入外，也預期將有越來越多的行動裝置採用無線充電技術，甚至是電動車的無線充電應用也備受矚目。

無線充電技術發展多年，磁感應式無線充電、磁共振式無線充電堪稱為兩大主流。其中，磁感應主要是通過兩個線圈之間產生的電感耦合進行，發送線圈內的交流電形成震盪磁場，該磁場感應範圍內的接收線圈發生電磁感應，產生感應電流，而由於自感、補償架構的不同，以及不同線圈搭配產生的不同互感，任何充電線圈之間都不大可能擁有相同的屬性，因此兩塊不同廠家的充電線圈(charging pad)設備之間要需要有良好適配。整體來說，磁感應無線充電技術的優點是成本低，缺點則是受電端和送電端的線圈位置需對準。

磁共振無線充電則是利用諧振器件，例如電感和電容等，使發射端和接收端達到特定頻率，進而產生磁場共振並傳輸能量。優點是傳送效率高，方便一對多同時充電，但缺點是磁共振技術的電路非常複雜、成本高昂、頻率調校不易、共振不易維持，且傳輸效率很容易受到共振頻率的影響。

針對此兩大技術的發展，工研院材化所電磁材料元件研究室主任唐敏注指出，由於材料厚度和傳輸功率為正相關，因此始終存在材料厚度無法有效縮減的問題，而開發飽和磁化量更大的導磁材料是解決之道。他進一步說明，理想的導磁材料必須具備很高的導磁率，亦即只要加上一個磁場，就會產生千倍萬倍的磁通量。

然而磁通量有其飽和限制，到達飽和點後，無論再加上多大的磁場，磁通量都無法再增加。導磁率和磁通量飽和度之間的取捨衡量，是廠商在選擇無線充電材料時的重要考量。

電動車無線充電優化使用者體驗

除了行動裝置外，電動車也被視為推升無線充電市場成長的重要應用。目前常見的接觸式充電，也就是充電槍方式，缺點為易受環境條件影響，天候不佳時可能有電氣接點潮濕引發觸電的疑慮，且在維護方面，接觸式充電的充電接頭容易殘留汙漬及長期使用下的磨耗，這將影響充電的效能與效率。

而無線充電毋需靠近無線充電設備就能充電，且由於沒有通電接點的設計，自然就能避免觸電危險，無線充電堪稱兼具便利性和安全性。

而針對電動車無線充電最受質疑的效率問題，車輛研究測試中心研究發展處李廷恩博士特別釐清指出，在充電功率等級相同的情況下，無線充電的效率與有線充電其實是無分軒輊，而無線充電更具安全性及便利性，因此電動車無線充電頗受看好。

此外，針對電磁波的迷思，李廷恩也說明指出，無線充電產品需符合國際非電離輻射防護委員會制定的電磁場人體防護指南ICNIRP 2010規範，因此消費者可安心使用電動車無線充電。

電動車無線充電受到看好，車輛研究測試中心已投入研發多時，研發主軸為高效率電力調控技術及系統安全，目前在天線構型設計、磁路模擬分析、參數診斷與效能分析等方面已累積足夠研發能量，李廷恩並指出車輛中心在「異物偵測」與「主動式阻抗匹配」技術的開發，可以補強國內無線充電產品功能的完整度，同時提升系統安全性與商品競爭力。

歷經多年發展，無線充電技術在近年已有明顯進展，已成功應用於智慧型手機與穿戴裝置上，隨著新一代iPhone 8手機將全面支援無線充電規格，無線充電勢必將進一步蔚為風潮，且基於充電方式攸關電動車的使用者體驗，安全便利的無線充電方式頗具潛力，除此之外，預期無線充電應用於其他領域的可能性將愈受矚目，一個沒有線纜糾纏的世界不無可能。