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(多图) 功率晶体管助高效率、高功率密度转换器实现

张家瑞、林锦宏、林星谕?? 中国台湾英飞凌工业与多元电子事业处资深应用工程师?? 2010年02月28日 ?? 收藏0

  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

  功率晶体管之导通电阻分布图

  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。

  同步整流功率晶体管之损耗分布图

  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。

  英飞凌科技OptiMOSTM3及OptiMOSTMGen5的FOM及效率比较图

  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。

  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。

  TO-220及SSO8(Power-PAK) 封装透视图。

  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。

  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

  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。

  TO-220及SSO8晶体电压比较图

  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


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