INTRODUCTION

一、 前言

近年來,高切換頻率電源轉換器的研究變得愈來愈流行[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7],有三個主要原因。首先,電源轉換器具有更小的尺寸及更高的功率密度,有利於現代電子設備的微小化,並且可以降低由高品質大容值感值的電容與電感所造成的成本。因為功率轉換器的尺寸和重量是以被動元件(尤其是電感)為決定因素,為實現一個具有更小尺寸和更快速的暫態響應的電源轉換器,較小的被動元件及更高的切換頻率是必要的。第二,對於包絡線追蹤(ET)或包絡消除和恢復(EER)發射機系統,若電源轉換器具有高切換頻率和快速瞬態響應可以做為其電源供應器使用[1]。第三,高速切換的電源轉換器有利於電磁干擾(EMI)的防治[6],由於其切換造成的高頻諧波可以很容易地由小電容與小電感消除。為實現較高切換頻率同時維持良好功率效率的目標,切換損耗和驅動電路功耗必須極小化,本專題用以減少切換損耗的方法稱為零電壓切換(ZVS),相比硬切換電源轉換器,ZVS可以用來降低功率元件跨壓和電流波型的重疊,以減低切換損耗,而ZVS則可以透過E類或F類諧振轉換器架構實現。

諧振式電源切換器目前以E類最為常見及技術成熟,但是其輸入電感所造成的損耗是on chip最棘手的問題,因為做成on chip的電感Q值與面積會是一個trade-off,越大的Q值其損耗會越小,但是需要越大的線寬,也就是越大的面積,相對的花費也會越高,E類需要將drain和source的跨壓升到輸入電壓的3.6倍,所以需要較大的電感,然而,在[2]提出一種類似於class F的power amplifier架構,其好處為只需將drain和source的跨壓升到輸入電壓的2倍就可以達到ZVS的效果,如此一來可以大幅降低輸入電感的損耗。目前的論文幾乎都是以電路板的設計為主,本設計是採用主動元件GaN25的製程,而被動元件則以GIPD製程實現。

對於高頻開關變換器的另一個挑戰是驅動電路的高功率消耗,主要原因是高的切換頻率和大的輸入電容,為了盡量減少閘極驅動電路的功耗,諧振閘極驅動技術漸漸受到重視,而另一降低驅動電路功率消耗的方法是使用更小輸入電容之功率元件如氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT: High Electron Mobility Transistor)。在切換模式的功率放大器和直流─直流轉換器的應用中,擁有小輸入電容和低導通電阻(Ron)的半導體元件一直是研究的目標,其中碳化矽(SiC)已被廣泛地應用為潛在的高壓開關[8] [9]。另一個具有此良好特性的元件為AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管,AlGaN/GaN在高功率和高速電路設計應用有許多優點:氮化鎵特有的寬能隙性質可以確保設備隨溫度變化與施加高電壓操作的穩定性[10];此外,載子遷移率和飽和速度的性能使其成為良好的高速或高頻電路元件,應用GaN實現之功率放大器或直流轉換器已於這幾年陸續被提出[11] [12],憑藉GaN的優異特性,高效能高功率的RF功率放大器以及高頻切換之功率轉換器得以被實現,單位體積高功率密度也能使硬體體積縮小,若未來能夠採用更多電力電子設備,功率與體積的使用效率將得以大幅提升。

二、 系統設計

為了將功率轉換器操作在高的切換頻率,切換瞬間造成的功率損耗控制是一門重要的課題,目前的諧振式切換電路主要以class E和class Phi為主,利用被動元件電路使跨接於功率開關的電壓與電流overlap達到最小。整體的電路架構如Fig.1所示,其中輸入電感L1的功用為RF choke或者boost電感用以提供一個DC的輸入定電流源,應用類似class F的power amplifier原理,藉由被動元件讓第一和第三諧振頻率有相對高的阻抗,而第二諧振頻率則有相對低的阻抗。

對於功率電路來說,此專題設計之切換頻率(300 MHz)遠高於一般的範圍,因此被動元件部分可以在平面以GIPD實現,而非外掛lump component,此外,電感以Sonnet軟體進行模擬,為了減少電感的阻值,採用線寬為60 μm及80 μm,金屬厚度為10 μm的Metal 3。相較於導線電感,平面螺旋電感藉由減少電壓電流波之等效電子波長度(effective electrical length)來提升Q值,以電磁波的傳遞來說,當其電磁波向量進入一個周期性的結構時其等效電子波長度會減少,此效應又稱為slow-wave effect,當等效電子波長度減少時,由同樣線長構成電感之感值會增加,換句話說,同樣電感值可由線長較短、體積較小的電感實現,亦即其等效寄生電阻也較小。

三、 實驗結果

利用ADS在25°C進行模擬,以下是模擬的結果:

由Fig.2,在input voltage為9 V時,整體converter會有最大的效率69.223 %。

觀察Fig.3,Output voltage的transient response大致是平穩的,並且有達到升壓的效果。

Fig.4為output voltage的transient response,大約於0.2 usec開始settling。

四、 結論

相較於其他研究,本專題除了有特高頻(300 MHz)的特點之外,也使用了GaN及GIPD的製程,不同於以往大部分論文直接在printed circuit board實現,較小的電感和implementation on chip更讓電路達到微小化,並且維持將近70 %的高效率。

五、 參考文獻

[1] M. Bathily, B. Allard, F. Hasbani, V. Pinon, and J. Verdier, “Design flow for high switching frequency and large-bandwidth analog DC/DC step-down converters for a polar transmitter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 2, pp. 838–847, Feb. 2012.

[2] R. Pilawa-Podgurski, A. D. Sagneri, J. M. Rivas, D. I. Anderson, and D. J. Perreault, “Very-high-frequency resonant boost converters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 6, pp. 1654–1665, Jun. 2009.

[3] T. M. Andersen, S. K. Christensen, A. Knott, and M. A. E. Andersen, “A VHF class E DC-DC converter with self-oscillating gate driver,” in Proc. Appl. Power Electron. Conf. Exposit., Mar. 2011, pp. 885–891.

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[5] J. M. Rivas, O. Leitermann, Y. Han, and D. J. Perreault, “A very high frequency DC-DC converter based on a Phi-2 resonant inverter,” in Proc. 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conf., Jun. 2008, pp. 1657–1666.

[6] M. Madsen, A. Knott, M. A.E. Andersen, “Low Power Very High Frequency Switch-Mode Power Supply With 50 V Input and 5 V Output”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 12, pp 6569-6080 , December 2014

[7] C. D. Meyer, S. S. Bedair, B. C. Morgan, and D. P. Arnold, “Micromachined wiring board with integrated microinductor for chip-scale power conversion,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 11, pp. 6052–6063, Jul. 2014.

[8] S. Dasgupta, R. J. Kaplar, M. J. Marinella, M. A. Smith, and S. Atcitty, “Analysis and prediction of stability in commercial, 1200V, 33 A, 4H–SiC MOSFETs,” in Proc. IEEE Int. Rel. Phys. Symp., Apr. 2012, pp. 3D.3.1– 3D. 3.5.

[9] S. Chen, C. Cai, T. Wang, Q. Quo, and K. Sheng, “Cryogenic and high temperature performance of 4 H-SiC Power MOSFETs,” in Proc. IEEE. Appl.Power Electron. Conf. Expo., 2013, to be published.

[10] B. M. Green, V. Tilak, S. Lee, H. Kim, J. A. Smart, K. J. Webb, J. R. Shealy, and L. F. Eastman, “High-power broad-band AlGaN/GaN HEMT MMICs on SiC substrates,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, pp. 2486–2493, Dec. 2001.

[11] D. Reusch, D. Gilham, Y. Su, and F. C. Lee, “Gallium nitride based 3D integrated non-isolated point of load module,” in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo., Feb. 5–9, 2012, pp. 38–45.

[12] R. Redl, B. Molnar, and N. Sokal, “Class E resonant regulated dc/dc power converters: Analysis of operations and experimental results at 1.5 MHz,” IEEE Trans. Power Electron., vol. PE-1, no. 2, pp. 111–120, Apr. 1986.


Fig. 1


Fig. 2


Fig. 3


Fig. 4


Fig. 5

心得感想

本專題在開始實作之前,我們先閱讀相關論文、期刊,加強所需要的背景知識,接著,我們根據文獻資料選擇電路架構,依頻率調整其中被動元件的大小,再分別利用Sonnet和ADS模擬軟體進行電感和電路的模擬,同時檢視設計是否達到預期的規格。經過pre-layout simulation後,使用Cadence並參照CIC提供之GIPD Process Manual進行佈局,最後進行接線部分的模擬完成layout。

在實作的過程中,經常會遇到電路原理與軟體操作上的問題,除了參與教授實驗室的meeting之外,也會請教指導我們的學姊,雖然一開始對專題有許多不熟悉的內容,但是藉由詢問教授和學長姊及上網蒐集資料,我們漸漸對converter的設計有更進一步的認識。在團隊合作方面,我們會定期討論專題的進度,藉著調整參數和模擬的分工得以加快電路設計的進行,使我們在暑假期間有機會嘗試實際電路的佈局。

實作專題讓我們有機會實際參與電路設計的流程,從最初的電路設計,參數模擬,到最後的整體布局,我們也對高頻電路架構和氮化鎵等製程有更深刻的了解,除此之外,熟悉電路模擬和layout的軟體也是一大收穫,為期一年的實作專題同時讓我們體會到分工合作的重要性,著實受益良多。