在新式發(fā)電/節(jié)能技術及裝置的背后,高頻切換電源轉換器扮演著極重要的角色。高頻切換電源轉換技術,乃是利用半導體功率組件以“高頻切換”方式,結合各式能量轉換組件如變壓器、儲能組件如電感及電容,達到高效率、高功率密度的要求。
具有較低功率損耗的功率晶體管,是達到較高的電源轉換效率,符合日益嚴謹?shù)碾娫崔D換效率規(guī)范的有效手段。綜觀功率晶體管的技術發(fā)展可分為兩個方向:“晶粒(die)”技術及“封裝(packaging)技術”。
(1)晶粒技術的發(fā)展主軸是以更低的導通電阻、更快的切換速度及更小的極間電容,大幅降低功率晶體管的導通損耗、切換損耗及其他可能損耗;
(2)封裝技術的發(fā)展重心是改進或提出新式封裝結構及技術,降低封裝所造成的寄生電阻及寄生電感,除降低導通電阻、提高切換速度外,并能提升功率晶體管的散熱能力及最大功率承受能力。
圖1為低電壓及高電壓功率晶體管之導通電阻分布圖,其中,對高電壓功率晶體管而言,晶粒技術發(fā)展的重要性遠勝于封裝技術,因為導通電阻的貢獻主要來自晶粒而非封裝;低電壓功率晶體管的導通電阻分布,取決于不同的封裝方式,其最低導通電阻亦會受到封裝方式所限制
。
圖1,功率晶體管之導通電阻分布圖
從整體轉換器效率觀之,除了導通損耗、切換損耗外,在極低負載電流條件下,功率晶體管的電容性損失(capacitive loss)及功率晶體管的驅動損失(driving loss)亦不容小覷。圖2為80V功率晶體管應用于125KHz切換頻率,全橋相移式轉換器之同步整流器功率損耗分布圖,功率晶體的切換導通/截止損耗在此忽略不計,由圖中可知,當輸出負載電流愈低時,電容損耗及驅動損耗所占比例愈高,在功率晶體管的技術發(fā)展上,除了降低導通電阻外,有效減少極間電容所造成的晶體電容損耗及驅動損耗,能夠大幅改善電源轉換器在輕載條件下的效率。
圖2,同步整流功率晶體管之損耗分布圖。
圖三為英飛凌科技OptiMOSTM3及新一代OptiMOSTMGen5功率晶體管的優(yōu)質化系數(shù)及應用于降壓轉換器之效率比較圖。在各項優(yōu)質化系數(shù)降低的同時,所反映出來的是在系統(tǒng)上效率的大幅提升。
圖3,英飛凌科技OptiMOSTM3及OptiMOSTMGen5的FOM及效率比較圖。
此外,功率晶體管結構的改良,使得功率晶體管能夠在較低的驅動電壓下操作在最佳的區(qū)域,晶體本身能夠在導通損失及切換損失兩者間取得平衡,使得轉換器無論是在輕載或是滿載下,能夠具有足夠很高的轉換效率。圖4為降壓轉換器效率與驅動電壓的關系比較圖。
圖4,降壓轉換器效率與驅動電壓的關系比較圖。
圖5為TO-220及SSO8(Power-PAK)的封裝透視圖,其中TO-220的引線(lead)在柵(Gate)極、泄極(Drain)及源極(Source)的寄生電感值,在未修剪引線長度的條件下,分別約為16nH, 13nH及15nH左右,其中柵極與源極的引線在驅動回路中造成的寄生電感,限制了功率晶體管的驅動電流上升速度及功率晶體管的切換速度;泄極與源極的引線在功率級回路中造成的寄生電感,在功率晶體管導通時儲存能量,截止時釋放能量至外部線路,不僅降低效率更形成電壓尖波 (spike)的來源之一;泄極與源極的引線所造成的寄生電阻,為導通電阻的一部份,在功率晶體管導通時消耗能量,降低系統(tǒng)效率。相較于TO-220,SSO8的封裝寄生電阻跟寄生電感小得多,能夠達到較低的導通電阻值、較高的效率、較低的尖波電壓準位及較佳的并聯(lián)操作特性。
圖5,TO-220及SSO8(Power-PAK) 封裝透視圖。
如圖6所示,為TO-220及SSO8分別應用在一600W全橋相移式轉換器中,輸出同步整流器上之系統(tǒng)效率比較圖,其輸出電壓為12V,最大輸出電流為50A,由圖中可知,在相同的緩振(snubber)線路中,使用SSO8封裝的功率晶體管,其系統(tǒng)效率高于使用TO-220者。在此兩功率晶體管中所使用的晶粒規(guī)格相同,封裝方式不同,可從中看出封裝方式造成的效率差異。
圖6,TO-220及SSO8功率晶體管作為輸出同步整流器上之系統(tǒng)效率比較圖。
如圖7所示,為相同測試條件下,TO-220及SSO8截止時的晶體電壓比較圖,在滿載負載電流條件之下,在SSO8上的晶體電壓,仍遠低于TO-220的包裝。
圖7,TO-220及SSO8晶體電壓比較圖。
如圖8所示,為不同表面接著組件之熱阻比較圖,值得一提的是,新式CanPAK的優(yōu)點在于晶體上的柵極及源極,都是由晶粒本體直接與PCB做連接,并不通過任何的引線或是引線架(Lead-frame),可以減少可能的源極寄生電感,提高可能的切換速度并降低寄生電感所存貯的能量;泄極通過散熱蓋的方式與PCB做連接,由于晶粒本體與散熱蓋之間的熱阻值遠低于其他傳統(tǒng)之各項封裝,在CanPAK中能夠通過散熱蓋而傳遞出去的熱能大幅增加,有效降低晶粒的溫度,即使在極高切換頻率下,依然能夠達到系統(tǒng)高效率的目標。此外,功率晶體管的最大功率損耗及最大電流是由公式所決定,其中TJ,max為最大接面溫度、TC為引線架溫度、Rth,J-C為接面-引線架之熱阻系數(shù),在于利用有效降低接面-引線架之熱阻,提高功率晶體管之功率損耗及連續(xù)電流能力。
圖8,不同表面接著組件之熱阻比較圖。
英飛凌科技致力于功率晶體管新技術的發(fā)展,以今日全球40%的能耗用在電能的產生上,在電源轉換單元中每個單一功率組件所能省下的電能,其背后意義卻是可節(jié)省約3座~4座核電廠的能源。英飛凌的產品目前已部署于能源價值鏈的每一個環(huán)節(jié)中,涵蓋發(fā)電、配電及有效運用電力等領域。