本文讨论的是如何在高功率的应用中，采用硬式切换方式替代传统共振方式。硬式切换的功率架构提供系统上的优势，例如复杂度较低，较高的内在可靠度，因此，能降低系统成本及加快上市时间。经过改善后的功率开关，开启状态时的电阻更低、切换的过渡更快速，使硬件切换和共振间的效率落差稳定地减少。本文中将叙述现今服务器和电讯电源供应器的最新架构，方式是以两个采用主动式（Active）PFC的1000W参考电路板系统，其主功率级采用的是相移（phase shift）ZVS全桥（full bridge）或用交插式（interleaved）双晶体管顺向转换器（forward converter）做比较。在一个硬式切换系统中采用全新的高压功率MOSFETs，从主功率级量测至输出连接器的性能来看，可以达得超过91％的最大效率。与在共振系统中采用次佳的MOSFET的最大可达效率比较，这个结果显示出相同，甚至更好的效率。

应用于运算和通讯中的电源供应器，一直面对增加功率密度需求的压力，在相同或更小的尺寸中，被要求能供应比以往产品更多的功率。举例来说，许多终端客户都要求在相同的外壳和尺寸中，能将输出功率升级20～30％，而且借着效率的提升，必须能够有效的控制散热的问题。于是，在这前提下产生了数个需求：改善半导体和被动组件的效益及创新架构，从全新半导体组件之功能中获得有利的好处。低电压隔离式的DC/DC作法提供了一些新方式和技术，能够改善磁性和被动组件的使用，但是这些作法常常无法很顺畅地扩展至较高的电压和功率，因为和低压半导体装置相比较，高压方面的性能受到相当的限制。

本文将探讨最近发展的高压超接合面（super junction）功率MOSFET以及硅晶碳化物Schottky二极管，并比较采用硬式切换或共振方式在性能、系统成本和可靠度方面的优缺点。

共振和硬式切换功率架构系统面

共振的方式，例如相移零电压转换（ZVS）全桥，能在零电压时打开MOSFET，同时在全关闭（total turn-off）操作时，能够做到在drain-to-source 电压上升之前，完全关闭流过动态区的电流。以硬式切换方式打开时，储存在输出电容的能量会散发为热力，以共振方式运作来保留此能量。共振的方式可除去在开关电源以及与输出电容相关的损耗，因此可获得效率的提升。

不过，要获得此种最高效率是必需付出代价，包括更高复杂度的系统、更高阶的控制方式、粗大而高成本的共振电感器，以及在不正常工作状况下对MOSFET二极管的可靠度之要求。而对变压器来说，共振操作会降低初级端的dv/dt压力以及次级端的di/dt压力，零电压操作则需要主动的使用功率开关的本体二极管。因此，具备快速恢复式本体二极管之MOSFET皆使用于高可靠度的应用中。此外，另一个常见的现象是当ZVS系统在轻负载状态时，效率会降低，因此在设计和选择功率MOSFET零组件时，这也是必需考虑的因素。

在高功率应用并需要高效率需求时，是否有替代ZVS全桥的方法？在大约400W以下的较低功率领域中，电源供应器的设计师都熟知双晶体顺向（forward）架构。不过，至今为止，高电压功率MOSFET之效益并不能达到所要求的效率，以致无法将此方式使用在更高功率的层次。此架构简单且有效率，其输出级和电压涟波及ZVS桥式完全相同。另一项好处是不需要共振电感，控制方式比较容易，在低负载的状况下亦可维持高效率。为了要研究使用一个交插式双晶体管顺向（interleaved-two-transistor-forward；ITTF）解决方案之潜力，也就是能够在更高功率的层次使用最新的功率半导体，因此建构出一个1000W ITTF的参考设计。为能做量测的比较，还建构了1000W的相移（phase-shift），两个架构都有相同的PFC级。其目的是比较两个方式的效益，在PFC中采用最新的硅晶碳化物（SiC）Schottky二极管，在PFC和PWM极中采用超接合面（super junction）MOSFETS做为主动式之开关。(表一)显示一个相移ZVS和ITTF架构的重要特性汇总。

在进一步看设计和结果之前，将先讨论高压功率MOSFET和二极管的趋势。

高压功率MOSFET和二极管的趋势

使用SiC Schottky二极管后，零逆向恢复充电整流就可实现(图一)。现代功率MOSFET之快速接通速度可用来降低切换时之损耗。而超快速硅晶管脚整流器的逆向恢复电荷（silicon pin-rectifiers reverse recovery charge）是和整流速度、顺向电流和温度有关，SiC Schottky 二极管只有电容性位移充电，它是由装置的结构所决定的，因此只和芯片的大小有关。图一显示相类似电压电流规格的产品之比较。

《图一 超快速硅晶管脚整流器的逆向恢复电荷和SiC Schottky二极管在整流速度、顺向电流和温度上的比较。》

在功率MOSFET上也已经做出了类似的优越效益，例如引入了超接合面（SJ）principle[2]等。高压功率MOSFET和RDS采用了最近在2005年市场上所出现的技术，放入TO220中可以降低至低于100mOhms，用的是600V规格的MOSFETs[3]。由于MOS Cell的密度大幅度地增加，可持续改善现今的处理能力，具有更低的RDSon。(图二)比较采用TO220封装具有最低可达的RDSon之不同装置，可能采用的是超接合面和标准的MOSFET技术。

《图二 RDSon技术之精进以及目前600V规格MOSFET之电流处理能力。》

类似的说法也适用于切换速度。标准MOSFET之上升和下降时间一般是在20～50ns的范围，今日的效能已是低于5ns，可以降低接近十倍的开与关时之损耗。(图三)将最新之技术与在TO220封装中最低的RDSon做一比较。

《图三 RDSon之最新技术和 600V规格MOSFET之切换速度》

两个1000W参考设计之设计和实验结果

对共振和硬式切换架构所做的研究，是采用两个参考设计为基础，在主功率级是使用一个相移ZVS全桥和一个交插式双晶体管顺向转换器（ITTF）。两个板子都是使用主动功率因素修正方式，以连续电流的模式用一个SiC Schottky二极管来升压。为能让PFC级不要过于主导系统效率，因此选择了高电源电压（170～265V）作为输入电压范围。PFC级和主功率级都使用130 kHz。两个板子都可提供1000W至48V的输出。ZVS之频率为一倍，因此有较低的输出电压波动，而ITTF采用两级分别在180°的相位差之下工作，如此亦可使涟波降低。在ITTF中还使用两个独立的输出线圈，以优化整流器之使用，并且更能与ZVS板相比较。在两个板子的电压波动、输出线圈和半导体都完全相同。(图四)和(图五)显示两个设计的实际电路图和照片，采用的是相类似的电路安排和设计方法。

《图四 实际相移ZVS和交插式双晶体管顺向架构之电路图》

《图五 ZVS和ITTF板子之照片》

在系统效率的量测方面（主要输入点至48V输出连接器），采用新高压功率MOSFET在全载时，相移ZVS架构会有1.2％之优势，在整体效率超过90％时，这一点是很重要的。另一方面，和前一代的超接合面装置、高压功率MOSFET以及竞争者的装置做比较时，很清楚的显示使用高压功率MOSFET的ITTF架构是超越以上所提到的功率开关所能达到的效率水平。所有的比较基础都是采用相同的网关驱动器和封装条件。(表二)显示其结果。

还有一组量测，是以负载为函数研究系统的效率。(图六)显示硬式切换的ITTF在部分负载状况下，与共振ZVS架构相比较，仍可维持非常高的效率。在1/3负载状况下，ITTF的效率会有7％提升。而ZVS从共振运作改成硬式切换时，ITTF可获得负载电流降低的好处。

《图六 相移ZVS板和交插式双晶体管顺向转换器在高电源电压时以负载为函数所测量的系统效率》

许多应用都经常在局部负载的状况下运作，例如服务器或电讯电源供应器等，在考虑不是全载时的系统效率时，在电力的使用上和整个系统的热管理上，就显得更为重要。硬式切换架构在所展示的效率水平上将使系统不会变复杂，它是替代共振架构的热门选项，特别是在功率水平高过1000W时，更是如此。

结论

许多应用都经常在局部负载的状况下运作，例如服务器或电讯电源供应器等，在考虑不是全载时的系统效率时，在电力的使用上和整个系统的热管理上，就显得更为重要。硬式切换架构在所展示的效率水平上将使系统不会变复杂，它是替代共振架构的热门选项，特别是在功率水平高过1000W时，更是如此。高压功率MOSFET让一个硬式切换的1000W ITTF系统之效率在最大负载时，可达到一个采用次佳替代零组件之1000WZVS全桥系统的同样效率水平（91％）。效率的量测是从主要输入点至48V输出连接器。在系统的控制方式、零组件数量会比较不复杂，因为没有使用到MOSFET的本体二极管，可以降低每瓦之整体系统成本。此外，在部分负载条件下，ITTF 较有优势，可看到在1/3负载时，和ZVS系统比较之下，可达到7％的效率改善。

在高压功率MOSFET开关和薄型SiC Schottky二极管的进步之下，今日的ITTF架构，在切换速度、电容量、网关驱动功率、零二极管逆向恢复电荷上，都较有优势。

＜参考数据：

[1] H. Kapels, R. Rupp, L. Lorenz, I. Zverev, "SiC Schottky diodes: A Milestone in hard switching applications", Proceedings of PCIM 2001, Nuremberg, Germany, 2001

[2]T. Fujihira: "Theory of Semiconductor Superjunction Devices",

Jpn.J.Appl.Phys., Vol. 36, pp. 6254-6262, 1997.

（作者任职于Infineon英飞凌科技）

[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004＞

未来智能手机的电源管理技术 [3]CoolMOS CS press released published March, 8th 2005 （www.infineon.com） ＞如果说IT（Information Technology；信息技术）界要颁发最速黯淡奖，那么笔者可能会提名InfiniBand，理由是InfiniBand的规格及标准规范自1999年开始起草，2000年正式 发表，之后主力业者纷纷退出。 没有一种组件、一种设计方法可以满足所有的应用。其次，需要看到双极性晶体管也在向更高性能不断发展，在某些领域同样有着不可替代的作用。本文将从几个大家关心的方面进行讨论。InfiniBand：还会有多少人想起我？ 双极性晶体管VS MOSFET你可在「 电源管理，作为最早的半导体产品和技术，如今再次成为全球电子业永续发展的重要元素。 电源半导体技术随着微处理器对电源需求的持续增长而日渐广泛采用，微处理器已变得更 快、更小、功能更强大，同时对电压的波动也愈加敏感。 」一文中得到进一步的介绍。 多重市场电源管理为功率MOSFET增长注入强大动力在「 采用自保护MOSFET可以设计出高性价比的容错系统，但损害或毁坏自保护MOSFET组件 的工作情况确实存在。只有在系统设计时仔细考虑这些因素，才可以设计出高性价比而可靠的系统。」一文为你做了相关的评析。

市场动态

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