电源技术创新求变 持续追求更高效能

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DIGITIMES日前举办「电源技术论坛 - 高效能电源技术设计趋势」,邀请来自产官学界的专业权威人士分享电源技术的最新发展,吸引众多学员热烈参与。

大至资料中心、电动车,小至3C产品及穿戴式装置等,各种应用领域对于电源效率的要求越来越高。在此一趋势下,电源架构势必有所改变,相关元件材料也需进行创新,才能满足日益严苛的电源需求。此外,摆脱线缆是充电方式的终极追求,包括手机、穿戴式装置,甚至是电动车应用都在持续尝试更高效率、更快速及更具成本效益的无线充电技术。

针对这些日新又新的技术及应用领域,DIGITIMES特别于日前举办「电源技术论坛 - 高效能电源技术设计趋势」,邀请来自产官学界的专业权威人士分享电源技术的最新发展。

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村田电源模块技术部门研发处长Steven Lee。

美商怀格现场应用工程师张仁程。

罗姆半导体台湾设计中心副所长林志升。

雅特生科技嵌入式电源台湾区营运经理简妍庭。

雅特生科技嵌入式电源亚太区通路管理资深经理林哲毅。

雅特生科技嵌入式电源应用工程师江佳璁。

工业技术研究院材化所电磁材料元件研究室研究主任唐敏注。

瀚薪科技研发处长洪建中。

财团法人车辆研究测试中心副工程师李廷恩。

高效电源架构创新---改变架构拓朴设计 精进包装散热技术

美商怀格应用工程师张仁程及村田(MuRata)电源研发处长Steve Lee针对高效率电源架构的创新提出看法。张仁程指出,近年来因应资料中心、工业自动化、电动汽车、通讯、高效照明、机器人、铁路、航空等高阶应用兴起的趋势下,对高效电源解决方案的需求日益增多,也带动电源元件小型化且功率密度须不断提升。

这些复杂又紧密的电子产品及系统已催生对更小、更有效率、更高密度功率的电源系统的需求,同时也是产品差异化与可靠度的重要关键。

因应前端(Front End)及负载点( POL)电源在高功率密度及高节能要求下所带动整个供电的架构改变趋势下,Vicor在拓扑(Topologies)及包装散热技术(ChiP and VIA 包装)创新下做到体积小、重量轻、功率密度高、散热容易、高转换效率及高设计灵活性产品来实现高效电源设计需求,也详尽介绍 Vicor前端(Front End)DCM(DC-DC module)/BCM(Bus converter module)/PFM(AC-DC module)及负载点(POL)高效电源解决方案和成功应用分享。

藉由Vicor所提供PCDM(Power Component Design Methodology)高效模块电源解决方案—从源头到负载点—的高性能Vicor功率元件,顾客得以最大限度地简化设计复杂度,降低成本,加速产品上市时程,藉而得以实现功率元件设计方法的完整价值。

村田Steve Lee则提到,要将电源转效率由80Plus所订定的黄金版等级提升到钛金等级,也就是要将效率进一步提升,则可能需移除电源电路架构的桥式整流器(Bridge Rectifier)需求。

宽能隙材料半导体  打造优质功率元件

提升用电效率,从材料着手是根本之道,瀚薪科技研发处长洪建中指出,SiC与GaN等宽能隙材料半导体具有高耐压电场、高饱和电子速度,以及高导热系数等特性,相当适合高功率、高频率及高温环境的应用,并能显著改善系统电力消耗。例如,采用全碳化硅(SiC) 功率元件,系统能耗损失有机会降低50%,系统效率得以提高,且随著操作频率的增加,更带来系统小型化的可能。

洪建中并特别介绍该公司所推出高集成度的SiC MOSFET解决方案。相较于其它同业提供由MOSFET和萧特基二极管组合的离散式方案,瀚薪科技可针对客户需求提供将MOSFET和Diode集成在同一颗芯片上的集成方案,提供逆变器(Inverter)所需,此方案在2017年5月于日本领先全球发表。他进一步说明集成萧特基二极管及MOS晶体管成单芯片,好处是可实现更高功率密度及模块微型化的优势。

瀚薪为纯设计公司,目前员工数约20人左右,主要提供650伏以上的高耐压大功率元件,此一重电领域应用对于功率元件质量的要求极高,因此瀚薪极力打造自有品牌的信赖度,于市场上日渐建立口碑。目前该公司已切入电源供应器、电动车及太阳能等市场,未来则将布局轨道交通、电网等应用市场。

应用领域需求不同  电源方案特性殊异

不同应用领域对电源设计的要求各异,罗姆半导体台湾设计中心副所长林志升和雅特生嵌入式电源应用工程师江佳璁,分别说明物联穿戴装置、车辆,以及工业、医疗等应用对于电源设计的特别要求。

罗姆林志升提到,罗姆针对穿戴式产品的低消费电力需求而研发的Nano Energy技术,是将电源供应IC的电路电流减至最低,同时又能避免在轻载状态下电源效率大幅下滑的技术。此技术实现低耗能、低待机电流功能,控制负载切换时的安定性,以达到单颗纽扣电池能使用10年的目标。

另外,罗姆推广的能源采集EnOcean无线传输技术,是一种不需使用电池及额外电力的技术,在Energy Harvesting的概念下,此技术只需利用按压或者结合太阳能就能产生极小电力传输的技术,EnOcean在欧美至今已导入超过40万个案例。

此外,林志升也介绍了该公司的超高速脉冲控制技术 (Nano Pulse Control),此技术是集结ROHM的电路设计、制程等技术而成。ROHM新近利用此技术推出的车规电源IC,对于中度油电混合车等48V电源所驱动的车电系统具有重大意义。

林志升进一步说明,近年来,汽车业界对于节能和环保性能要求日益严苛,促使许多业者开始将焦点放在采用48V电源系统的中度油电混合车。中度油电混合车和配备传统12V电源系统的汽车相比,油耗改善效果显著,成本效益也比高度油电混合车还要高。

Nano Pulse Control技术的导入,可以在2MHz的高频运行时,将48V输入电压一次性降压至3.3V的输出。实现电源系统单芯片化,选用较小外围元件实现应用装置小型化及系统简约化等优点。

可配置电源模块  满足工业及医疗需求

雅特生江佳璁则说明工业及医疗对于电源输出的准确性、分辨率和稳定性都有更高要求。例如医疗级的电源模块强调高精密度及可靠度,且在设计之初就需考量是否能通过相关的医疗安规,包括EN60601-1和UL ES60601-1等。至于工业用电源除了同样要求可靠度外,还需符合各个工业领域的特定安全规范,以及一般来说较大的功率需求。

综合以上,可配置电源模块能支持电源输出的各项调整,且可进行全范围的电源监控,因此能充分满足各方面需求。所谓的可配置是指能提供可程序设计的电压或电流源,且可以利用不同的插入式模块配置其输出。江佳璁特别介绍该公司近期推出的智能型电源模块产品 - iHP系列可配置模块化大功率电源系统。

此系列的输出功率高达24kW,并以3kW为一增量单位逐步递增,此系列最多可配置8个输出,所以能满足不同电压和不同电流的要求,适用于多种不同的医疗设备和工业系统。

此外,iHP系列可配置模块还有几个值得一提的特性:采用电流源模式时,输出电压成为负载阻抗和设定电流的一个函数;采用电流源模式时,最高的临界电压可以程序设定,因此一旦出现故障,也可保护串联在一起的 LED;相关模块可透过ISOCOM电路板进行调控,让旗标和故障结果可以预先设定,以便根据不同结果作出不同回应等。

雅特生科技专门设计和生产的电源转换和嵌入式运算产品,其产品适用括通信、计算、医疗、军事、航天及工业等领域。

无线充电热门  不同技术各擅胜场

谈到电源技术,当然要谈到近期颇为热门的无线充电技术,目前除手机积极导入外,也预期将有越来越多的行动装置采用无线充电技术,甚至是电动车的无线充电应用也备受瞩目。

无线充电技术发展多年,磁感应式无线充电、磁共振式无线充电堪称为两大主流。其中,磁感应主要是通过两个线圈之间产生的电感耦合进行,发送线圈内的交流电形成震荡磁场,该磁场感应范围内的接收线圈发生电磁感应,产生感应电流,而由于自感、补偿架构的不同,以及不同线圈搭配产生的不同互感,任何充电线圈之间都不大可能拥有相同的属性,因此两块不同厂家的充电线圈(charging pad)设备之间要需要有良好适配。整体来说,磁感应无线充电技术的优点是成本低,缺点则是受电端和送电端的线圈位置需对准。

磁共振无线充电则是利用谐振器件,例如电感和电容等,使发射端和接收端达到特定频率,进而产生磁场共振并传输能量。优点是传送效率高,方便一对多同时充电,但缺点是磁共振技术的电路非常复杂、成本高昂、频率调校不易、共振不易维持,且传输效率很容易受到共振频率的影响。

针对此两大技术的发展,工研院材化所电磁材料元件研究室主任唐敏注指出,由于材料厚度和传输功率为正相关,因此始终存在材料厚度无法有效缩减的问题,而开发饱和磁化量更大的导磁材料是解决之道。他进一步说明,理想的导磁材料必须具备很高的导磁率,亦即只要加上一个磁场,就会产生千倍万倍的磁通量。

然而磁通量有其饱和限制,到达饱和点后,无论再加上多大的磁场,磁通量都无法再增加。导磁率和磁通量饱和度之间的取舍衡量,是厂商在选择无线充电材料时的重要考量。

电动车无线充电  优化使用者体验

除了行动装置外,电动车也被视为推升无线充电市场成长的重要应用。目前常见的接触式充电,也就是充电枪方式,缺点为易受环境条件影响,天候不佳时可能有电气接点潮湿引发触电的疑虑,且在维护方面,接触式充电的充电接头容易残留污渍及长期使用下的磨耗,这将影响充电的效能与效率。

而无线充电毋需靠近无线充电设备就能充电,且由于没有通电接点的设计,自然就能避免触电危险,无线充电堪称兼具便利性和安全性。

而针对电动车无线充电最受质疑的效率问题,车辆研究测试中心研究发展处李廷恩博士特别厘清指出,在充电功率等级相同的情况下,无线充电的效率与有线充电其实是无分轩轾,而无线充电更具安全性及便利性,因此电动车无线充电颇受看好。

此外,针对电磁波的迷思,李廷恩也说明指出,无线充电产品需符合国际非电离辐射防护委员会制定的电磁场人体防护指南ICNIRP 2010规范,因此消费者可安心使用电动车无线充电。

电动车无线充电受到看好,车辆研究测试中心已投入研发多时,研发主轴为高效率电力调控技术及系统安全,目前在天线构型设计、磁路模拟分析、参数诊断与效能分析等方面已累积足够研发能量,李廷恩并指出车辆中心在「异物侦测」与「主动式阻抗匹配」技术的开发,可以补强国内无线充电产品功能的完整度,同时提升系统安全性与商品竞争力。

历经多年发展,无线充电技术在近年已有明显进展,已成功应用于智能型手机与穿戴装置上,随著新一代iPhone 8手机将全面支持无线充电规格,无线充电势必将进一步蔚为风潮,且基于充电方式攸关电动车的使用者体验,安全便利的无线充电方式颇具潜力,除此之外,预期无线充电应用于其它领域的可能性将愈受瞩目,一个没有线缆纠缠的世界不无可能。