新式封装结合极低导通电阻功率电晶体打造高功率密度钛金牌切换式电源
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现今切换式电源供应器(SMPS)的发展驱势，除了要求效率之外，如何提高功率密度以及降低产品不良率已成为业界着重的目标。所以产品小型化、製程模组化以及减少人工插件为几个可执行的方向，笔者将于本文中分别就功率电晶体的发展以及新式封装在现行高效率架构应用中的优势分别说明。 传统上功率电晶体的发展，以持续不断地降低导通电阻(RDS(on))及提升切换速度，从而有效地减少导通损耗及切换损耗;考量来自封装的导通电阻佔整体导通电阻值比例较低及相对较低切换频率的缘故，相较于低压功率电晶体而言，高压功率电晶体的封装技术发展积极度较低。然而在目前SMPS的高功率密度及高效率要求下，新式功率电晶体不仅必须提升晶粒(die)的效能，新式封装的导入更能够使SMPS实现高效率及高功率密度的目标。 新式封装的概念，在立式元件中如图1(a)的TO247 4针脚(pin)封装、图1(b)的贴片式TOLL (TO-Lead-Less)封装以及图1(c)的ThinPAK 8x8封装所示。 图1：新式功率电晶体封装 在立式封装中，TO247-4pin延用TO247-3pin的高功率密度以及良好散热特性的优势，同时藉由把脚位极性作重新地定义，能让印刷电路板(PCB)的元件佈局以及线路走势能更理想;而在贴片封装部份，ThinPAK 8x8整体元件体积作了极大的最佳化，相较于D2PAK，它在体积上减少了90%，在此种封装之中，以目前600V电压等级的功率电晶体而言，其导通电阻最低可达65mΩ，可应用于损耗较小的的架构，如零电压切换特性电源转换器。TOLL则是散热表现极佳的贴片式元件，元件体积仅有D2PAK的30%、PCB上所需的面积也减少了30%，在电气特性上，封装所造成的杂散电感更小，在600V的电压等级中，最低导通电阻可达28mΩ，较ThinPAK 8x8更适合用于高瓦数大电流的应用中，如功率因数校正器(PFC)。
图2：(a) ThinPAK 8×8封装较D2PAK减少90%的体积所佔比例;(b) TOLL封装较D2PAK减少60%的体积所佔比例 从效率的角度来看，除了功率密度及散热能力的提升之外，减少切换损耗也是相当重要的课题，以目前功率开关的发展趋势，元件本身的切换特性不仅仰赖晶粒的发展，要达到更快速的切换速度，封装的寄生电感所造成的影响更值得关注，如图3所示，这叁种新式封装都在源极上设有额外的源极接线(Kelvin source)。 图3：採用Kelvin Source的新式封装 当切换速度愈来愈快时，在快速切换的过程中，切换时的大电流变化在封装中的寄生电感产生电压降，而影响到开关闸极实际的驱动电压，使得开关损耗增加，对于效率及温度都会造成负面的影响，如图4(a)所示。 在具有Kelvin source的封装中，可作为驱动器的参考準位，使驱动讯号于开关导通时不会受到快速切换所带来的影响，进一步最佳化切换行为，以提升效率，如图4(b)所示。 图4：(a)传统封装技术的开关导通过程，大电流变化影响实际驱动电压;(b)採用Kelvin source的开关导通过程，大电流变化不影响实际驱动电压;(c)採用TO247 3pin与4pin的导通过程，汲极电压、电流比较图 传统的PFC受限于桥式整流器的功率损耗所佔比例，无论使用何种性能优越的功率元件及储能元件，效率的改善依然无法大幅提高，因此若要达到更高的效率要求，无桥式PFC电路是唯一的选项。图5为现行的几种无桥式PFC电路，其中，图5(a)的双功率级无桥式PFC为最常见的无桥式PFC正电路，其优点为电路控制塬理简单，採用传统的PFC控制器就能够完整控制，但其缺点为功率级必须採用两组电路，致使高功率密度难以达成。 另一种无桥式PFC电路为图腾极(Totem-Pole)无桥式PFC，如图5(b)所示，相较于双功率级无桥式PFC而言，其功率极仅需要採用一个电感，更容易改善功率密度，但是图腾极无桥式PFC的电路塬理复杂，不仅控制上需要区分交流电的正负半波，更需要在输入电压的零交越区附近针对工作週期做适当调适，以避免电波突波造成PF值及谐波值的劣化，会流经本体二极体的工作条件，更无可避免地必须採用极低逆向恢復电荷(Qrr)的功率电晶体，以确保系统的可靠度，造成图腾极无桥式PFC较难被普及使用。 图5：(a)双功率级无桥式PFC;(b)图腾极无桥式PFC 值得一提的是另一种可以用来改善桥式整流器功耗的可行方案，就是主动式桥接整流器，如图6所示。其实行方法为在PFC中，于桥接整流器上并联额外的功率电晶体，利用功率电晶体较低的导通电阻，用以降低桥式整流器的导通损耗，达到提高全机效率的目的。对于应用于主动桥式整流器的功率电晶体而言，其主要要求为极低的导通电阻，即使在流过大电流的情况下，要有效降低桥式整流器的功率损耗，功率电晶体二端的电压差必须远低于传统桥式整流器的顺向导通电压值，才能够使电流尽可能地全部流过功率电晶体，达到预期提高效率的目标。相较于传统封装，採用新式封装的功率电晶体不仅能有效缩减体积，更能够达到极低的导通电阻，适用于主动式桥接整流器之中。 图6：採用主动式桥接整流器的PFC 针对钛金牌的电源供应器效率要求，若考量后级直流/直流(DC/DC)转换器的半载效率为97.5%时，PFC的半载效率必须达到98.5%以上，电源供应器的效率才能够达到钛金牌的要求。笔者採用TOLL封装的功率电晶体做为主动式桥接整流器，测试2,400W的PFC电路，以75kHz的切换频率，比较採用主动式桥接整流器与传统桥接整流器的效率。在230Vac下，考量半载条件下的输入电流有效值为5.3A，桥接整流器上的顺向导通电压约为0.7V，其总功率损耗约为7.42W;在相同条件下，主动桥接整流器上功率电晶体的导通电阻约为0.065Ω，其总功率损耗约为1.82W，理论上，在输入电压为230Vac，採用主动桥接整流器时，半载条件下效率最高可改善0.46%，实测结果如图7所示，採用主动式桥接整流器在半载测试条件下可以改善0.42%，而其最高效率可接近98.8%。 图7：2400W具主动式桥接整流之PFC效率图 为了解决效率以及温度的问题，PFC的主开关一般会选用TO247封装或是两颗功率电晶体并联，然而为了提升功率密度，在新式封装结合新式晶粒的功率电晶体被开发出来后，採用单颗功率电晶体取代两颗功率电晶体并联，已是被验证可行且值得推荐的可靠方案，在系统散热条件不变的情况下，可利用TO247 4pin封装来减少损耗、提升效率。笔者在总输出为750W的伺服器电源、65KHz的切换频率、输入电压为90Vac的条件下，使用TO247 4pin封装，与同级导通电阻的TO247封装元件作比较，能够改善开关功率损耗达2.5W，而元件温度更可降低8度左右;如图8为各封装中杂散电感值的比较，在相同都是Kelvin source的封装结构之中，若改採用TOLL封装，除了同样能够利用Kelvin source带来的优点提升切换效率，结合同样为贴片封装的高压碳化硅(SiC)二极体，便可将PFC的半导体元件模组化，有效缩小整体元件空间，不仅能提升功率密度，更能够实现自动化生产，减少作业员加工所造成的不确定性及ESD破坏，如图9所示。 图8：不同封装中的寄生电感量 图9：全面使用贴片元件的模组化设计 贴片式封装除了元件本身接脚的杂散电感远低于接脚型封装，透过元件佈局的妥善设计，亦能减少迴路的寄生电感，有效改善功率电晶体在切换时的寄生损耗，并能降低汲-源极间的电压突波，如图10所示。在相同的测试条件下，採用不同封装的功率电晶体电压突波实验波形中，使用TOLL封装的功率电晶体所量测到的电压突波较TO247 4pin降低约22V，证明减少迴路杂散电感对抑制电压突波的正面影响。 图10：採用低寄生电感封装抑制功率电晶体电压突波 结语 功率电晶体的极低导通电阻应用于主动式桥接整流，能够在延用传统PFC的大前提下，透过低导通损耗取代桥接整流器的导通损耗，使高效率高功率密度能够轻易被实现;功率电晶体的新式封装导入了Kelvin source的概念最佳化开关元件的切换行为，改善了封装寄生电感所造成的切换转态时间延迟，有效提升系统效率;同时使用贴片式封装元件来降低开关元件所佔的空间，除了提升系统功率密度之外，更有助于实现模组化的组装设计。 在目前要求高效率、高功率密度以及降低产品不良率电源产品设计的需求下，结合新式封装与极低导通电阻的功率电晶体，将有助于电源设计工程师开发更具优势亦更符合市场需求的产品。 |
