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

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。