因应高效率高功率密度转换器的功率晶体管发展

因应高效率高功率密度转换器的功率晶体管发展2010-4-71:40:50作者：张家瑞、林锦宏、林星谕台湾英飞凌工业与多元电子事业处资深应用工程师来源:半导体国际核心提示：对各式电源转换器的规格要求，除高功率密度及高转换效率外，低待机功率损耗及满足特定额定输出功率下的电源转换效率，更是目前被强烈要求的重点。近年来，环保及节能减碳的概念方兴未艾，缘自于世人对资源有限及爱护地球之心的觉醒，政策上，各国政府及相关机构制定相关奖励办法及限制法规的作法；技术上，诸多企业也广为利用本身的先进技术开发出各种新式的发电装置或技术如太阳能、风力、潮汐发电；新式节能装置如LED灯、油电混合引擎、电动车…等等，其中太阳能、风力及其他发电装置产生的电源无法直接与电力系统并联连接，必须仰赖高频切换电源转换器(Highfrequencyswitchingconverter)，配合适当的功率及能量传递控制，才能够让这些新式发电装置发挥更佳的效能；LED、电动马达所需之电压，也必须由高频切换电源转换器依不同供电来源及功率控制方式，进行电压准位及电源形式的转换。由此可知，这些新式发电/节能技术及装置的背后，高频切换电源转换器扮演着极重要的角色。高频切换电源转换技术，乃是利用半导体功率组件以“高频切换”方式，结合各式能量转换组件如变压器、储能组件如电感及电容，达到高效率、高功率密度的要求。为求简便，本文以下称之电源转换技术。电源转换技术的发展着重在达到高功率密度及高转换效率，即为所谓的“轻、薄、短、小”。电源转换技术发展初期仅应用于宇宙飞船上，依各式仪器设备需求，电源转换器将宇宙飞船上的电池，转换出不同电压形式及电压准位的电源。高功率密度/高转换效率的电源转换装置，除能节省能源的转换损失外，更降低转换器的重量及体积，进一步节省宇宙飞船所需要的燃料。直至今日，电源转换技术不再独厚于太空或军事用途，早己广泛应用于信息设备、消费电子、家电及工业之中，其一是上述之环保节能概念的抬头及各相关标准制订机构因应各项应用及未来需求所制定之更严格的规范要求，其二，是由于半导体功率组件及各种磁性组件、储能组件的技术更臻于成熟，价格低廉。对各式电源转换器的规格要求，除高功率密度及高转换效率外，低待机功率损耗及满足特定额定输出功率下的电源转换效率，更是目前被强烈要求的重点。表一为目前各式电源转换器之电源转换器效率要求规格。习知的解决方案，除使用特殊的PWM控制如脉冲模式(BurstMode)、脉波省略模式(Pulseskipping)，以减少功率晶体管的切换次数或切换频率达到高效率外，也必须仰赖具有较低功率损耗的功率晶体管，方能达到较高的电源转换效率，符合日益严谨的电源转换效率规范。综观功率晶体管的技术发展可分为两个方向:“晶粒(die)”技术及“封装(packaging)技术”。(1)晶粒技术的发展主轴是以更低的导通电阻、更快的切换速度及更小的极间电容，大幅降低功率晶体管的导通损耗、切换损耗及其他可能损耗；(2)封装技术的发展重心是改进或提出新式封装结构及技术，降低封装所造成的寄生电阻及寄生电感，除降低导通电阻、提高切换速度外，并能提升功率晶体管的散热能力及最大功率承受能力。图1为低电压及高电压功率晶体管之导通电阻分布图，其中，对高电压功率晶体管而言，晶粒技术发展的重要性远胜于封装技术，肇因于导通电阻的贡献主要来自晶粒而非封装；低电压功率晶体管的导通电阻分布，取决于不同的封装方式，其最低导通电阻亦会受到封装方式所限制。图1.功率晶体管之导通电阻分布图。英飞凌科技早在数十年前就投入大量人力资源深耕半导体技术，以德国精湛工艺打造半导体组件，开发出各式能够有效大幅提升电源转换效率之功率组件，首先在1996年推出第一代低电压功率晶体管SIPMOSTM系列，其后以沟渠式结构(Trench)为基础，陆续推出了OptiMOSTM、OptiMOSTM2、OptiMOSTM3及OptiMOSTMGen5等高效能低压功率晶体管，其导通电阻可低于1mΩ以下。高电压功率晶体管的发展可追溯至1998年推出第一颗以超接面(Super-Junction)技术为核心的CoolMOS™S5系列，一举将600V功率晶体管的最低导通电阻降至190mΩ，自此CoolMOS™系列的高压功率晶体就几乎成为在高效率电源转换器的首选，其后陆续推出了CoolMOS™C3、CoolMOS™CFD、CoolMOS™CP及CoolMOS™C6系列，其最低导通电阻可低至37mΩ，是目前业界在TO-247包装中，最低导通电阻之功率晶体管。以下本文将概述为因应现今“高效率/高密度”之高频电源转换器规格需求下，功率晶体管的在晶粒及封装技术上的发展。表1为功率晶体管中的功率损耗项目及其相对应的公式，从整体转换器效率观之，除了导通损耗、切换损耗外，在极低负载电流条件下，功率晶体管的电容性损失(capacitiveloss)及功率晶体管的驱动损失(drivingloss)亦不容小觑。由表一可知，除了导通损耗外，其余之损耗与切换频率呈正比关系，转换器之切换频率愈高，功率晶体管之损耗愈大。图2为80V功率晶体管应用于125KHz切换频率，全桥相移式转换器之同步整流器功率损耗分布图，功率晶体的切换导通/截止损耗在此忽略不计，由图中可知，当输出负载电流愈低时，电容损耗及驱动损耗所占比例愈高，在功率晶体管的技术发展上，除了降低导通电阻外，有效减少极间电容所造成的晶体电容损耗及驱动损耗，能够大幅改善电源转换器在轻载条件下的效率。由于功率晶体管是由无数颗晶粒小单元(Cell)所组成，只单纯比较导通电阻大小并不客观，如何用客观的数字来评估功率晶体管“晶粒技术”的良窳？实务上使用一些优质化系数(Figure-of-Merit,FOM)作为判断的依据，所谓的优质化系数，乃是将导通电阻Rds,on分别与(1)输出电容Coss(2)栅-泄极间电荷Qgd(3)栅极总电荷Qg相乘所得之乘积。导通电阻决定导通时的损耗量；Qgd与Qg决定了功率晶体的切换瞬时时间及驱动损耗；Coss决定了功率晶体的电容性损耗，利用此几项参数乘积，可以用来评估功率晶体管晶粒技术的改进程度，优质化系数值愈低，愈接近理想开关。表1.功率晶体管之各项功率损耗表。(*)：未造成功率晶体管本身的发热，但会造成驱动IC的温升并降低系统总效率(**)：只在本体二极管导通/截止时，才有损耗的发生图2.同步整流功率晶体管之损耗分布图。图3为英飞凌科技OptiMOSTM3及新一代OptiMOSTMGen5功率晶体管的优质化系数及应用于降压转换器之效率比较图。在各项优质化系数降低的同时，所反映出来的是在系统上效率的大幅提升。图3.英飞凌科技OptiMOSTM3及OptiMOSTMGen5的FOM及效率比较图。此外，功率晶体管结构的改良，使得功率晶体管能够在较低的驱动电压下操作在最佳的区域，晶体本身能够在导通损失及切换损失两者间取得平衡，使得转换器无论是在轻载或是满载下，能够具有足够很高的转换效率。图4为降压转换器效率与驱动电压的关系比较图。图4.降压转换器效率与驱动电压的关系比较图。表2为低电压功率晶体管的常用表面接着封装之特性比较表，包括了：封装之寄生电感值、寄生电阻值、封装冷却方式及并联操作的难易性。其中，寄生电感值影响了晶体管的切换速度、寄生组件储能及并联的难易度；寄生电阻值限制了晶体管的最低导通电阻；封装冷却方式限制了功率晶体管的最大功率损耗值。表2.低电压功率晶体管常用表面接着封装之特性比较表。图5为TO-220及SSO8(Power-PAK)的封装透视图，其中TO-220的引线(lead)在栅(Gate)极、泄极(Drain)及源极(Source)的寄生电感值，在未修剪引线长度的条件下，分别约为16nH,13nH及15nH左右，其中栅极与源极的引线在驱动回路中造成的寄生电感，限制了功率晶体管的驱动电流上升速度及功率晶体管的切换速度；泄极与源极的引线在功率级回路中造成的寄生电感，在功率晶体管导通时储存能量()，截止时释放能量至外部线路，不仅降低效率更形成电压尖波(spike)的来源之一；泄极与源极的引线所造成的寄生电阻，为导通电阻的一部份，在功率晶体管导通时消耗能量，降低系统效率。相较于TO-220，SSO8的封装寄生电阻跟寄生电感小得多，能够达到较低的导通电阻值、较高的效率、较低的尖波电压准位及较佳的并联操作特性。图5.TO-220及SSO8(Power-PAK)封装透视图。如图6所示，为TO-220及SSO8分别应用在一600W全桥相移式转换器中，输出同步整流器上之系统效率比较图，其输出电压为12V，最大输出电流为50A，由图中可知，在相同的缓振(snubber)线路中，使用SSO8封装的功率晶体管，其系统效率高于使用TO-220者。在此两功率晶体管中所使用的晶粒规格相同，封装方式不同，可从中看出封装方式造成的效率差异。图6.TO-220及SSO8功率晶体管作为输出同步整流器上之系统效率比较图。如图7所示，为相同测试条件下，TO-220及SSO8截止时的晶体电压比较图，在满载负载电流条件之下，在SSO8上的晶体电压，仍远低于TO-220的包装。图7.TO-220及SSO8晶体电压比较图。如图8所示，为不同表面接着组件之热阻比较图，值得一提的是，新式CanPAK的优点在于晶体上的栅极及源极，都是由晶粒本体直接与PCB做连接，并不透过任何的引线或是引线架(Lead-frame)，可以减少可能的源极寄生电感，提高可能的切换速度并降低寄生电感所存贮的能量；泄极通过散热盖的方式与PCB做连接，由于晶粒本体与散热盖之间的热阻值远低于其他传统之各项封装，在CanPAK中能够通过散热盖而传递出去的热能大幅增加，有效降低晶粒的温度，即使在极高切换频率下，依然能够达到系统高效率的目标。此外，功率晶体管的最大功率损耗及最大电流是由公式所决定，其中TJ,max为最大接面温度、TC为引线架温度、Rth,J-C为接面-引线架之热阻系数，在于利用有效降低接面-引线架之热阻，提高功率晶体管之功率损耗及连续电流能力。图8.不同表面接着组件之热阻比较图。英飞凌科技致力于功率晶体管新技术的发展，期让各个应用领域的电源转换效率再提高数个百分比，尽管，在效能的提升方面是缓慢而有限的，以今日全球40％的能源耗用在电能的产生上，在电源转换单元中每个单一功率组件所能省下的电能，其背后意义却是可节省约3～4座核电厂的能源。英飞凌的产品目前已部署于能源价值链的每一个环节之中，涵盖发电、配电及有效运用电力等领域。在全球各国的能源政策都面临了巨大挑战的今日，英飞凌的半导体产品，对提高能源效率和节约日趋珍贵的资源，将做出非常大的贡献。“水善利万物而不争”，英飞凌会继续秉持着“节能省电爱地球”的目标，继续开发新产品，当您下回看到这些标榜节能省电的电器时，或许偶尔也可以想到在这些商品内，都是“InfineonInside”。