1.1. 前言
彩色功率 RGB-發光二極體通常以串並方式組成 [1]，分別控制 三種不同顏色發光二極體的平均電流，混光調色，輸出光源色飽和度 最高，可變性佳，可以得到所需之光譜分佈[2, 3]。彩色 RGB-發光二 極體驅動電路，一般採用:電源取至市電輸入，因安規要求，輸入與 輸出端需電氣隔離。且紅、綠、藍三種發光二極體特性不同，所需的 額定電壓、額定電流也不同，通常需三組獨立調光控制器。為了達到 電氣隔離與個別驅動的要求，傳統電路設計成兩級電路來驅動 RGB-發光二極體[4]。常用之組合分別為，前級使用半橋轉換器[5]，前向 式轉換器(Forward)或返馳式轉換器(Flyback converter)[6. 7]，搭配後級 驅動電路，如昇壓式轉換器[8, 9, 10, 11]、降壓式轉換器(Buck converter) 及降昇壓式轉換器(Buck-boost converter)，達到多組電源輸出。
目前常用彩色 RGB-發光二極體調光方式主要有兩種:一種為類 比線性電流調光模式，另一種為 PWM 脈波寬度調變[7, 10]。類比線 性電流調光模式，雖轉號效率較佳，但容易產生色彩偏移影響色彩飽 和度；PWM 脈波寬度調變調光色度座標變動量比類比線性電流調光 模式小，且平均電流與平均光輸出略呈線性關係，是目前彩色 RGB-發光二極體調光的主流。彩色 RGB-發光二極體混光調色，電源模組
部分以 200W 功率設計。在此電源規格下，我們採用順向式隔離 DC/DC 轉換器架構，在二次側端並繞三組輸出線圈。在二次側採用 平均電流法控制，提供彩色 RGB-發光二極體調光所需不同電流大小。
彩色 RGB 發光二極體混光調色在文獻，採用返馳式架構，在電源輸 出端亦設計直接並繞三組輸出，分別產生 RGB-LED 所需的直流電壓 源，減少傳統第二級三組獨立直流/直流轉換器設計。過去實作返馳 式轉換器經驗[12]，這三組並繞電源輸出並未直接回授於一次側。當 三組電源在負載不平均時(例如白色光源混光，紅光/綠光/藍光照度比 約為 3:6:1)，三組輸出電源比例容易飄移，尤其是輕載端，容易過電 壓產生。此外，其調光方式類似傳統 PWM 電流控制方式，供應三組 RGB 發光二極體主電源𝑣𝑟,𝑣𝑔與𝑣𝑏通常為固定電壓，其優點為發光二 極體順向導通電流𝑖𝑟, 𝑖𝑔與𝑖𝑏非常容易由三個獨立功率電晶體切換開 關調控。但其缺點為: 1) 該電路直接將三個獨立功率電晶體當成可變 阻性負載，藉由 PWM 調控阻性負載大小，間接調整發光二極體順向 導通電流。功率電晶體消耗部分負載功率而發燙。2)當主電源𝑣𝑟,𝑣𝑔與 𝑣𝑏提升時，功率電晶體導通，產生瞬間導通脈衝電流增加，將降低發 光二極體使用時間。3)電源供應需備足三組 RGB-發光二極體輸出功 率，但是通常在彩色調光時，三組 RGB-發光二極體消耗功率並不一 致，三組電源供應無法相互支援。
1.2. 研究動機與背景
電力電子發展已逾 50 年，功率半導體元件在調節和分配電力能 源上扮演著重要的角色。過去以矽(Si)材料為主，如功率 MOSFET 或 IGBT 等。矽基功率電晶體主宰著過去 30 年半導體電源開關的市場，
但矽基功率電晶體已經接近成熟階段，已逐漸逼近半導體材料特性理 想值。圖 1.1 為矽(Si)，氮化鎵(GaN)與砷化鎵(GaAs)三種不同半導體 材料物理性質特性比較[6]。為了滿足市場對功率元件特性愈來愈高 的需求，產業界已經研發出一款革命性的氮化鎵功率元件，其性能指 數比現在最先進的矽功率場效電晶體優益十倍，並在眾多不同的應用 皆有龐大的潛能。相較於矽基場效電晶體(MOSFET)，氮化鎵功率晶 體是一種高電子遷移率電晶體(HEMT)，是由優質 GaN 表面的氮化鋁 鎵(A1GaN)薄層親密活動，自發而成的二維電子氣(2DEG)。由於此種 元件結構是基於配備高電子遷移率通道的 HEMT，不用外施電壓也能 傳導，所以 GaN HEMT 一般都是保持在啟動狀態。元件具有高電子 密度、高電子遷移率及二維電子氣與寬能帶特性，在電晶體電性特性 表現上擁有較低的導通電阻和閘極-源極電容值，提供更好的開關切 換特性。且氮化鎵功率元件能工作於矽功率場效電晶體無法操作的高 溫環境下及擁有較高的崩潰電場。基於上述優點氮化鎵功率元件擁有 較低的導通電阻(為 IGBT 之 1/5~1/10)，開關切換速度較矽功率場效
電晶體快(為 IGBT 之 10 倍以上)，使氮化鎵材料適合操作在高功率、
高溫、高切換速率，及高效率的功率轉換應用。
(×103cm2/V·s)
(eV)
(MV/cm)
(W/cm·K) (×107cm/s)
圖 1.1 三種不同半導體材料物理性質特性比較
1.3. 文獻探討
採用氮化鎵功率晶體應用於彩色 RGB-發光二極體調光控制。氮 化鎵材料可分成常開型(normal on, depletion mode) 與常閉型(normal off, enhance mode)兩種[13, 14]。常開型的氮化鎵功率開關元件在閘極 端不施加電壓的情況下是處於導通狀態，要使元件關斷必須提供負電 壓。現今大多人的手法是採用驅動矽基功率開關元件的驅動積體電路 做修改以符合驅動氮化鎵功率開關元件。針對驅動矽基功率開關元件 的驅動積體電路，其工作操作頻率通常不大於 1 MHz，很少有驅動積 體電路的驅動頻率能達 1 MHz 以上；而且驅動氮化鎵閘極電壓準位 需求比一般功率 MOSFET 晶體嚴謹，一般推動率 MOSFET 晶體閘極 電壓可從 9V 到 20V 變化，但是對加強型(enhance mode) 氮化鎵功率 開關標準電壓準位為 5V，超過 6V 就造成氮化鎵燒毀。直接利用現 有閘極驅動做修改，其輸出阻抗並不適用於氮化鎵功率開關，亦會造 成不必要的功率損失，加上目前市面上的驅動積體電路是針對常關型 的功率開關元件(不施加電壓情況下是處於不導通狀態，要使元件導 通必須提供正電壓)，並不適合空乏型氮化鎵驅動。
典型的閘極驅動電路[15, 16, 17]在輸出端包含一對互補式的元 件，如雙極性電晶體或 P、N 型通道的場效電晶體所構成的圖騰式驅 動架構，這些元件架構提供電荷充電、放電的路徑使功率電晶體作開
關切換動作，這種方式適用於低頻的操作架構，然而，隨著頻率的增 加，圖騰式驅動架構的切換速度和切換損失必須列入考量。Chen[18]
與 Wang[19, 20, 21]提出認為共振閘極驅動電路具備操作在高頻的驅 動能力，具有效能量回復共振閘極驅動器，主要透過電感及功率晶體 開關內部的寄生電容形成共振電路以減少高頻切換時的功率損失，並 使用電壓準位平移電路修改輸入閘極端的驅動電壓以符合驅動常開 型功率元件的電壓條件。並於 2008 年著重於 10MHz 低功率損耗的閘 極驅動器積體電路設計，積體電路內部整合 2006 年所設計的共振閘 極電路，主要包含共振架構及正到負電壓的準位平移電路，經由模擬 顯示將閘極驅動器整合於積體電路有效改善離散電路的性質，且在 2009 年將所設計的閘極驅動器實現於全橋電路的應用中。一般 MOSFET 驅動電路在閘極電路中加入微小電感產生共振電路並不多 見，在 EPC 公司應用資料中[13]並不建議在閘極端加入電感，因為設 計錯誤，容易因過度震盪，閘極電壓超過最高容忍電壓 6V，燒毀氮 化鎵電晶體。