可靠性/效率/功率密度兼具　5G基地台巧用寬能隙SMPS

除了這種網路演進外，也需要考量所謂的行動邊緣運算(MEC)領域的進展。這將支援有超低延遲需求的應用領域，例如物聯網(IoT)服務、自動駕駛或智慧製造。為了減少通訊中的延遲，伺服器將逐漸從傳統的資料中心/雲端移動到無線電接入網路，這會導致總電信功耗提升。

即使5G網路必然日益重要，不同的頻譜仍將共存一段時間。為讓新舊頻譜共存，首先必須對機櫃最佳化，不過直接擴充現有機櫃並不能解決問題。這種方法會導致新機櫃激增，如果空間有限而且地面租金相當昂貴，這絕對不會是好方法。

因此，電信基地台必須進行準確的重新設計，從電源單元(PSU)開始，這個單元將由輸出功率更高、效率通常更高而且外型尺寸較小的新電源單元取代。 本文說明以5G技術需求的電信開關式電源供應器(SMPS)為基礎的適當設計選擇。透過考量典型設計SMPS方面和權衡以同時達到高效率和高功率密度，解釋寬能隙(Wide Band Gap, WBG)技術在電信SMPS系統的可靠性和效能中發揮的作用。

現代電信5G電源架構的趨勢與挑戰

小型和微型基地台愈來愈重要，成為5G時代的關鍵基礎架構。這些基地台的一般運作環境相當嚴苛，因此特別容易受到電源可靠性的影響。類似的需求也會影響MEC系統，特別是當這些系統位於戶外環境時。

一般來說，任何新的基地台建設成本都會愈來愈高，不過最關鍵的將是基地台維護成本。事實上，目前基地台維護成本占任何行動網路營運商(MNO)總收入的2%至5%。另一方面，由於小型、微型和大型基地台的擴展，可以預期這個百分比會立即增加。因此不難預測，從SMPS開始，系統可靠性將是保障行動網路營運商(特別是最小的行動網路營運商)財務健康的「要件」。

從上述趨勢和挑戰中，可以得出5G基礎設施的三個關鍵總體需求：

．高效率

達到高效率是減少散熱(由於功耗比4G高)和營運費用(OPEX)的最佳方式。

．現有基礎設施的再利用

使用相同的機櫃、布線和連接，配電和系統占地面積不可變更，否則會導致資本支出(CAPEX)顯著增加。

．簡化的操作/維護成本和高可靠性

由於精確部署，維護(O/M)成本嚴重影響總OPEX。

5G電信基地台架設 電源需求須優先考量

上述關於5G基礎設施的需求，將轉化為最新一代電信應用中AC-DC SMPS所需的一些關鍵特性，圖1總結這些特性。

需要在與以前的SMPS相同的外型尺寸下達成更高的功率，因此必須追求功率密度，這允許重複使用舊機櫃。此外，PSU安裝在無線電設備附近時，例如在小型基地台應用中，需要降低高度。模組化一般有助於提高功率密度、擴大規模經濟和縮短上市時間。

採用戶外安裝的方式，對新的主動天線系統(AAS)基地台收發站(BTS)特別有效。在塔上或屋頂上安裝電源和設備而不使用塔腳的機櫃，能夠降低場地租賃成本。這也適用於小型基地台應用，因為對整合無線電設備的AC-DC PSU的需求愈來愈高，特別是在5G毫米波系統中。

由於5G資料流量比3G/4G通訊更不均勻，SMPS效率曲線需要一定的平坦度。這也是PSU使用率普遍較高的跡象之一，因此滿載效率與中載效率一樣重要。此外，盡可能減少滿載時產生的熱量，也是促進達到高功率密度的因素，因為從熱學的角度來看，即使在最不理想的工作條件下，也只需要較小的散熱器體積。總而言之，現代5G電信整流器注重的負載範圍在30～100%。當然，高峰值效率(高達98.5%)對於降低OPEX極為重要，特別是安裝在kWh成本高的地方，例如MEC系統。

O/M成本降低對SMPS可靠性有明顯影響，需要的使用壽命≧10年，而且MTBF > 1,000,000小時(依據Telcordia SR-332標準)。

善用寬能隙技術 開發電信5G SMPS

上述所有趨勢和需求都對電信5G應用的電源設計產生重大影響，這種設計長期以來稱為「電信整流器」。以下將解釋CoolSiC MOSFET以及中壓(MV)和高壓(HV)CoolGaN e-mode HEMT之類的寬能隙(WBG)技術如何有助於滿足關鍵的5G SMPS需求。分別從效能、可靠性兩方面做說明。

電信整流器的效能

在這方面，第一個重要目標是同時達到高效率和高功率密度。這個分析參考大型基地台專用電信整流器的典型規格(表1)。

這裡的分析遵循SMPS中的典型設計考量，從PFC的裝置選擇開始，然後是高壓(HV)隔離式直流對直流(DC-DC)轉換器，最後是二次側的同步整流。

在最先進的電信整流器中，將高效率與高功率密度相結合的最佳方法是使用無橋功率因數校正(PFC)級，例如推拉式電路和諧振HV DC-DC級，例如在二次側具有FB或中心分接同步整流的LLC轉換器。以下就PFC級和LLC級兩部分加以討論：

首先，介紹PFC級。連續導通模式(CCM)圖騰柱，是無橋PFC級中最常用的拓撲結構(圖2)。這包括：頻路徑(S1和S2裝置)，其中只能使用WBG裝置，因為WBG裝置可在此拓撲的典型硬式整流中持續運作[1] [2]；頻橋臂(S3和S4裝置)，其中具有極低RDS(on)的CoolMOS裝置是理想選擇。

只有在採用可變切換頻率的三角電流模式(TCM)控制時，CoolMOS等Si超接面(SJ)裝置才能用於推拉式電路PFC的高切換頻率部分(圖3)。相較於WBG式CCM，更高的元件數量和控制複雜度，使此種拓撲顯得較不方便。

圖4顯示在相同的RDS(on)範圍內並以同等切換頻率下，使用CoolGaN、CoolSiC(兩者均在CCM中)和CoolMOS SJ(在TCM中)的電信整流器達到的3千瓦(kW)推拉式電路PFC級計算效率。而整流器應該在標稱條件下運作(VIN=230VAC和TAMB=40℃)。

此圖顯示，全部三種技術在50%負載下，效率皆可超過99%。相較於負載低於30%的碳化矽(SiC)和Si SJ，CoolGaN技術展現出顯著效益。這是由於氮化鎵(GaN)裝置表現的最佳優值(FOM) RDS(on)*Qrr、RDS(on)*EOSS、RDS(on)*Qg及RDS(on)*QOSS，如參考資料[1]、[3]中的說明。在5G電信整流器著重的負載範圍(30~100%)中，可觀察到GaN和SiC提供的效率基本相當，在100%時觀察到SiC式解決方案具有更高的平坦度和一些效益。這種行為更符合現代電信整流器所需的平坦效率曲線(圖1)。這主要是由於CoolSiC MOSFET 650V裝置表現的RDS(on)與溫度的最低增幅，如圖5所示。

考量到大型基地台的電信整流器達到的TAMB, max一般為+75℃，整流器在更高的TAMB下運作時，此功能可能會提供更高的Δ(效率)，有利於CoolSiC裝置。在戶外應用(如主動天線單元或小型基地台)中，這個溫度甚至會上升到+85℃。

同樣的特性也有助於盡可能降低CoolSiC裝置的典型工作溫度，因此達到自然冷卻PSU運作的另一個效益，在嚴苛的戶外環境中更是如此。從一般可靠性的角度來看，絕佳的熱行為代表CoolSiC MOSFET 650V技術的主要效益。如前所述(圖1)，可靠性是5G時代電信整流器的基本需求。

關於結合效率與功率密度的關係，圖6中的Pareto前端分析結果顯示[1][4][5]，GaN和SiC在CCM圖騰柱PFC中基本上等效。只有GaN可以提供高達160W/in3的功率密度，不過效率卻明顯低於99%。

由此可以得出結論，由於比GaN更容易驅動方案，因此SiC是電信SMPS的CCM圖騰柱PFC級的首選半導體。

接著，探討LLC級。高效率和功率密度的結合對於LLC級也極為重要。在LLC等諧振拓撲中，有更多選項可以提高切換頻率而達到磁性尺寸最小化，這主要歸因於ZVS行為，能夠實質降低功率裝置的切換損耗。

《All Semiconductor Switch Technologies Lead to Rome》一文[3]描述對於整流器中的LLC拓撲結構進行的研究，目標是在50%負載下達到≧98%的效率。英飛凌(Infineon)的CoolGaN e-mode HEMT 600V技術能夠在500kHz諧振頻率的交錯式FB LLC拓撲中保持效率高於99%的技術，圖7簡要呈現這個結果。使用MV CoolGaN技術，對如此的成果發揮極為重要的作用。

適用於LLC級的Pareto效率與功率密度最佳化方法可證實這個結果[4]。對於這種最佳化，一次側在Si、SiC和GaN的不同技術之間有所不同，二次側一律在同步整流(SR)級使用Si裝置。此外，在一次側和二次側使用GaN執行第四次最佳化，在SR級使用即將推出的100 V CoolGaN裝置[2]。

從圖8可以明確看出，在切換頻率更高的最高功率密度下，GaN的效率高於SiC。相較於僅在一次側使用GaN的解決方案，全GaN解決方案的效率提高0.2至0.3%。此外，全GaN的最大功率密度比次優的Si SR級GaN高出約10%。主要原因是100 V CoolGaN裝置的輸入和輸出電容電荷低於MV Si同類產品。這允許更少的循環電流，為諧振迴路的設計帶來效益，因為改變二次側極性所需的電流較小。

因此可以得出結論，關於優值係數(FOM)效率與功率密度，電信整流器LLC級的最佳解決方案是在一次(HV)和二次同步整流級(MV)使用CoolGaN技術。

電信整流器的可靠性

可靠性是5G時代對電信整流器的第二個基本需求。英飛凌的白皮書[6]概述該公司為了確保HV和MV CoolGaN技術滿足目標壽命和品質需求(包括電信整流器任務剖面)所遵循的應用特定全面認證程序。相較於Si裝置，GaN裝置的結構明顯不同，因此導致不同的認證計畫。圖9簡要顯示專門針對CoolGaN技術採取的全新可靠性測試。

CoolSiC裝置遵循全方位認證制度，確保在包括電信環境在內的實際操作條件和應用中發揮可靠的效能[7]。雖然與矽裝置有相似之處，例如垂直裝置結構，不過這些新型功率裝置的材料特性和工作模式仍然存在明顯的差異。由於這些差異相當大，因此這些差異對最終應用程式操作和可靠性認證程序的影響已經過審慎考量。

對電信整流器中的高壓裝置的一項基本可靠性需求是所謂的宇宙射線耐受性。半導體裝置在整個生命週期內都會遭受核粒子輻射，輻照由中子通量控制，中子通量隨高度以指數增加。若要計算HV裝置的宇宙輻射故障率，必須考量特定應用的任務特性，亦即施加電壓、接面溫度和海拔高度與相對應的工作時間。在某些安裝中，電信整流器必須連續運作到4,000公尺(逾13,000呎)海拔高度。

CoolGaN和CoolSiC裝置的開發和認證均保證必要的宇宙射線耐受性。HV CoolGaN的擊穿電壓明顯高於額定600伏特(V)，從這個角度來看，這一點本身就是重要特性。和任何垂直功率裝置一樣，CoolSiC MOSFET 650 V的宇宙射線耐受性已透過偏移或基層的厚度和摻雜所達到的適當平衡進行調整。透過這種方式，這達到輻射耐受性和導通損耗之間的最佳平衡。

(本文作者為英飛凌科技首席應用工程師)