現今切換式電源供應器(SMPS)的發展驅勢,除了要求效率之外,如何提高功率密度以及降低產品不良率已成為業界著重的目標。所以產品小型化、製程模組化以及減少人工插件為幾個可執行的方向,筆者將於本文中分別就功率電晶體的發展以及新式封裝在現行高效率架構應用中的優勢分別說明。

傳統上功率電晶體的發展,以持續不斷地降低導通電阻(RDS(on))及提升切換速度,從而有效地減少導通損耗及切換損耗;考量來自封裝的導通電阻佔整體導通電阻值比例較低及相對較低切換頻率的緣故,相較於低壓功率電晶體而言,高壓功率電晶體的封裝技術發展積極度較低。然而在目前SMPS的高功率密度及高效率要求下,新式功率電晶體不僅必須提升晶粒(die)的效能,新式封裝的導入更能夠使SMPS實現高效率及高功率密度的目標。

新式封裝的概念,在立式元件中如圖1(a)的TO247 4針腳(pin)封裝、圖1(b)的貼片式TOLL (TO-Lead-Less)封裝以及圖1(c)的ThinPAK 8x8封裝所示。

20180126_Infineon_TA31P1 圖1:新式功率電晶體封裝

在立式封裝中,TO247-4pin延用TO247-3pin的高功率密度以及良好散熱特性的優勢,同時藉由把腳位極性作重新地定義,能讓印刷電路板(PCB)的元件佈局以及線路走勢能更理想;而在貼片封裝部份,ThinPAK 8x8整體元件體積作了極大的最佳化,相較於D2PAK,它在體積上減少了90%,在此種封裝之中,以目前600V電壓等級的功率電晶體而言,其導通電阻最低可達65mΩ,可應用於損耗較小的的架構,如零電壓切換特性電源轉換器。TOLL則是散熱表現極佳的貼片式元件,元件體積僅有D2PAK的30%、PCB上所需的面積也減少了30%,在電氣特性上,封裝所造成的雜散電感更小,在600V的電壓等級中,最低導通電阻可達28mΩ,較ThinPAK 8x8更適合用於高瓦數大電流的應用中,如功率因數校正器(PFC)。

20180126_Infineon_TA31P2 20180126_Infineon_TA31P3 圖2:(a) ThinPAK 8×8封裝較D2PAK減少90%的體積所佔比例;(b) TOLL封裝較D2PAK減少60%的體積所佔比例

從效率的角度來看,除了功率密度及散熱能力的提升之外,減少切換損耗也是相當重要的課題,以目前功率開關的發展趨勢,元件本身的切換特性不僅仰賴晶粒的發展,要達到更快速的切換速度,封裝的寄生電感所造成的影響更值得關注,如圖3所示,這三種新式封裝都在源極上設有額外的源極接線(Kelvin source)。

20180126_Infineon_TA31P4 圖3:採用Kelvin Source的新式封裝

當切換速度愈來愈快時,在快速切換的過程中,切換時的大電流變化在封裝中的寄生電感產生電壓降,而影響到開關閘極實際的驅動電壓,使得開關損耗增加,對於效率及溫度都會造成負面的影響,如圖4(a)所示。

在具有Kelvin source的封裝中,可作為驅動器的參考準位,使驅動訊號於開關導通時不會受到快速切換所帶來的影響,進一步最佳化切換行為,以提升效率,如圖4(b)所示。

20180126_Infineon_TA31P5 圖4:(a)傳統封裝技術的開關導通過程,大電流變化影響實際驅動電壓;(b)採用Kelvin source的開關導通過程,大電流變化不影響實際驅動電壓;(c)採用TO247 3pin與4pin的導通過程,汲極電壓、電流比較圖

傳統的PFC受限於橋式整流器的功率損耗所佔比例,無論使用何種性能優越的功率元件及儲能元件,效率的改善依然無法大幅提高,因此若要達到更高的效率要求,無橋式PFC電路是唯一的選項。圖5為現行的幾種無橋式PFC電路,其中,圖5(a)的雙功率級無橋式PFC為最常見的無橋式PFC正電路,其優點為電路控制原理簡單,採用傳統的PFC控制器就能夠完整控制,但其缺點為功率級必須採用兩組電路,致使高功率密度難以達成。

另一種無橋式PFC電路為圖騰極(Totem-Pole)無橋式PFC,如圖5(b)所示,相較於雙功率級無橋式PFC而言,其功率極僅需要採用一個電感,更容易改善功率密度,但是圖騰極無橋式PFC的電路原理複雜,不僅控制上需要區分交流電的正負半波,更需要在輸入電壓的零交越區附近針對工作週期做適當調適,以避免電波突波造成PF值及諧波值的劣化,會流經本體二極體的工作條件,更無可避免地必須採用極低逆向恢復電荷(Qrr)的功率電晶體,以確保系統的可靠度,造成圖騰極無橋式PFC較難被普及使用。

20180126_Infineon_TA31P6 圖5:(a)雙功率級無橋式PFC;(b)圖騰極無橋式PFC

值得一提的是另一種可以用來改善橋式整流器功耗的可行方案,就是主動式橋接整流器,如圖6所示。其實行方法為在PFC中,於橋接整流器上並聯額外的功率電晶體,利用功率電晶體較低的導通電阻,用以降低橋式整流器的導通損耗,達到提高全機效率的目的。對於應用於主動橋式整流器的功率電晶體而言,其主要要求為極低的導通電阻,即使在流過大電流的情況下,要有效降低橋式整流器的功率損耗,功率電晶體二端的電壓差必須遠低於傳統橋式整流器的順向導通電壓值,才能夠使電流盡可能地全部流過功率電晶體,達到預期提高效率的目標。相較於傳統封裝,採用新式封裝的功率電晶體不僅能有效縮減體積,更能夠達到極低的導通電阻,適用於主動式橋接整流器之中。

20180126_Infineon_TA31P7 圖6:採用主動式橋接整流器的PFC

針對鈦金牌的電源供應器效率要求,若考量後級直流/直流(DC/DC)轉換器的半載效率為97.5%時,PFC的半載效率必須達到98.5%以上,電源供應器的效率才能夠達到鈦金牌的要求。筆者採用TOLL封裝的功率電晶體做為主動式橋接整流器,測試2,400W的PFC電路,以75kHz的切換頻率,比較採用主動式橋接整流器與傳統橋接整流器的效率。在230Vac下,考量半載條件下的輸入電流有效值為5.3A,橋接整流器上的順向導通電壓約為0.7V,其總功率損耗約為7.42W;在相同條件下,主動橋接整流器上功率電晶體的導通電阻約為0.065Ω,其總功率損耗約為1.82W,理論上,在輸入電壓為230Vac,採用主動橋接整流器時,半載條件下效率最高可改善0.46%,實測結果如圖7所示,採用主動式橋接整流器在半載測試條件下可以改善0.42%,而其最高效率可接近98.8%。

20180126_Infineon_TA31P8 圖7:2400W具主動式橋接整流之PFC效率圖

為了解決效率以及溫度的問題,PFC的主開關一般會選用TO247封裝或是兩顆功率電晶體並聯,然而為了提升功率密度,在新式封裝結合新式晶粒的功率電晶體被開發出來後,採用單顆功率電晶體取代兩顆功率電晶體並聯,已是被驗證可行且值得推薦的可靠方案,在系統散熱條件不變的情況下,可利用TO247 4pin封裝來減少損耗、提升效率。筆者在總輸出為750W的伺服器電源、65KHz的切換頻率、輸入電壓為90Vac的條件下,使用TO247 4pin封裝,與同級導通電阻的TO247封裝元件作比較,能夠改善開關功率損耗達2.5W,而元件溫度更可降低8度左右;如圖8為各封裝中雜散電感值的比較,在相同都是Kelvin source的封裝結構之中,若改採用TOLL封裝,除了同樣能夠利用Kelvin source帶來的優點提升切換效率,結合同樣為貼片封裝的高壓碳化矽(SiC)二極體,便可將PFC的半導體元件模組化,有效縮小整體元件空間,不僅能提升功率密度,更能夠實現自動化生產,減少作業員加工所造成的不確定性及ESD破壞,如圖9所示。

20180126_Infineon_TA31P9 圖8:不同封裝中的寄生電感量

20180126_Infineon_TA31P10 圖9:全面使用貼片元件的模組化設計

貼片式封裝除了元件本身接腳的雜散電感遠低於接腳型封裝,透過元件佈局的妥善設計,亦能減少迴路的寄生電感,有效改善功率電晶體在切換時的寄生損耗,並能降低汲-源極間的電壓突波,如圖10所示。在相同的測試條件下,採用不同封裝的功率電晶體電壓突波實驗波形中,使用TOLL封裝的功率電晶體所量測到的電壓突波較TO247 4pin降低約22V,證明減少迴路雜散電感對抑制電壓突波的正面影響。

20180126_Infineon_TA31P11 圖10:採用低寄生電感封裝抑制功率電晶體電壓突波

結語

功率電晶體的極低導通電阻應用於主動式橋接整流,能夠在延用傳統PFC的大前提下,透過低導通損耗取代橋接整流器的導通損耗,使高效率高功率密度能夠輕易被實現;功率電晶體的新式封裝導入了Kelvin source的概念最佳化開關元件的切換行為,改善了封裝寄生電感所造成的切換轉態時間延遲,有效提升系統效率;同時使用貼片式封裝元件來降低開關元件所佔的空間,除了提升系統功率密度之外,更有助於實現模組化的組裝設計。

在目前要求高效率、高功率密度以及降低產品不良率電源產品設計的需求下,結合新式封裝與極低導通電阻的功率電晶體,將有助於電源設計工程師開發更具優勢亦更符合市場需求的產品。