功率晶体管助高效率、高功率密度转换器实现

　　在新式发电/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。

　　具有较低功率损耗的功率晶体管，是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的有效手段。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，因为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

　　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(capacitive loss)及功率晶体管的驱动损失(driving loss)亦不容小觑。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。

　　图2，同步整流功率晶体管之损耗分布图。

　　图三为英飞凌科技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。

　　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，并不通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，以今日全球40%的能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座～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中，涵盖发电、配电及有效运用电力等领域。