現(xiàn)今切換式電源供應(yīng)器(SMPS)的發(fā)展驅(qū)勢(shì)，除了要求效率之外，如何提高功率密度以及降低產(chǎn)品不良率已成為業(yè)界著重的目標(biāo)。所以產(chǎn)品小型化、制程模組化以及減少人工插件為幾個(gè)可執(zhí)行的方向，筆者將于本文中分別就功率電晶體的發(fā)展以及新式封裝在現(xiàn)行高效率架構(gòu)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)分別說(shuō)明。

傳統(tǒng)上功率電晶體的發(fā)展，以持續(xù)不斷地降低導(dǎo)通電阻(RDS(on))及提升切換速度，從而有效地減少導(dǎo)通損耗及切換損耗；考量來(lái)自封裝的導(dǎo)通電阻占整體導(dǎo)通電阻值比例較低及相對(duì)較低切換頻率的緣故，相較于低壓功率電晶體而言，高壓功率電晶體的封裝技術(shù)發(fā)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(dǎo)入更能夠使SMPS實(shí)現(xiàn)高效率及高功率密度的目標(biāo)。

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(yōu)勢(shì)，同時(shí)藉由把腳位極性作重新地定義，能讓印刷電路板(PCB)的元件布局以及線路走勢(shì)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，相較于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(jí)的功率電晶體而言，其導(dǎo)通電阻最低可達(dá)65mΩ，可應(yīng)用于損耗較小的的架構(gòu)，如零電壓切換特性電源轉(zhuǎn)換器。 TOLL則是散熱表現(xiàn)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(jí)中，最低導(dǎo)通電阻可達(dá)28mΩ，較ThinPAK 8x8更適合用于高瓦數(shù)大電流的應(yīng)用中，如功率因數(shù)校正器(PFC)。

從效率的角度來(lái)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(dāng)重要的課題，以目前功率開(kāi)關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)，元件本身的切換特性不僅仰賴(lài)晶粒的發(fā)展，要達(dá)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(guān)注，如圖3所示，這三種新式封裝都在源極上設(shè)有額外的源極接線(Kelvin source)。

當(dāng)切換速度愈來(lái)愈快時(shí)，在快速切換的過(guò)程中，切換時(shí)的大電流變化在封裝中的寄生電感產(chǎn)生電壓降，而影響到開(kāi)關(guān)閘極實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電壓，使得開(kāi)關(guān)損耗增加，對(duì)于效率及溫度都會(huì)造成負(fù)面的影響，如圖4(a)所示。

在具有Kelvin source的封裝中，可作為驅(qū)動(dòng)器的參考準(zhǔn)位，使驅(qū)動(dòng)訊號(hào)于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)不會(huì)受到快速切換所帶來(lái)的影響，進(jìn)一步最佳化切換行為，以提升效率。

傳統(tǒng)的PFC受限于橋式整流器的功率損耗所占比例，無(wú)論使用何種性能優(yōu)越的功率元件及儲(chǔ)能元件，效率的改善依然無(wú)法大幅提高，因此若要達(dá)到更高的效率要求，無(wú)橋式PFC電路是唯一的選項(xiàng)。圖5為現(xiàn)行的幾種無(wú)橋式PFC電路，其中，圖5(a)的雙功率級(jí)無(wú)橋式PFC為最常見(jiàn)的無(wú)橋式PFC正電路，其優(yōu)點(diǎn)為電路控制原理簡(jiǎn)單，采用傳統(tǒng)的PFC控制器就能夠完整控制，但其缺點(diǎn)為功率級(jí)必須采用兩組電路，致使高功率密度難以達(dá)成。

另一種無(wú)橋式PFC電路為圖騰極(Totem-Pole)無(wú)橋式PFC，如圖5(b)所示，相較于雙功率級(jí)無(wú)橋式PFC而言，其功率極僅需要采用一個(gè)電感，更容易改善功率密度，但是圖騰極無(wú)橋式PFC的電路原理復(fù)雜，不僅控制上需要區(qū)分交流電的正負(fù)半波，更需要在輸入電壓的零交越區(qū)附近針對(duì)工作周期做適當(dāng)調(diào)適，以避免電波突波造成PF值及諧波值的劣化，會(huì)流經(jīng)本體二極體的工作條件，更無(wú)可避免地必須采用極低逆向恢復(fù)電荷(Qrr)的功率電晶體，以確保系統(tǒng)的可靠度，造成圖騰極無(wú)橋式PFC較難被普及使用。

值得一提的是另一種可以用來(lái)改善橋式整流器功耗的可行方案，就是主動(dòng)式橋接整流器，如圖6所示。其實(shí)行方法為在PFC中，于橋接整流器上并聯(lián)額外的功率電晶體，利用功率電晶體較低的導(dǎo)通電阻，用以降低橋式整流器的導(dǎo)通損耗，達(dá)到提高全機(jī)效率的目的。對(duì)于應(yīng)用于主動(dòng)橋式整流器的功率電晶體而言，其主要要求為極低的導(dǎo)通電阻，即使在流過(guò)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(yuǎn)低于傳統(tǒng)橋式整流器的順向?qū)妷褐?，才能夠使電流盡可能地全部流過(guò)功率電晶體，達(dá)到預(yù)期提高效率的目標(biāo)。相較于傳統(tǒng)封裝，采用新式封裝的功率電晶體不僅能有效縮減體積，更能夠達(dá)到極低的導(dǎo)通電阻，適用于主動(dòng)式橋接整流器之中。

針對(duì)鈦金牌的電源供應(yīng)器效率要求，若考量后級(jí)直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器的半載效率為97.5%時(shí)，PFC的半載效率必須達(dá)到98.5%以上，電源供應(yīng)器的效率才能夠達(dá)到鈦金牌的要求。筆者采用TOLL封裝的功率電晶體做為主動(dòng)式橋接整流器，測(cè)試2,400W的PFC電路，以75kHz的切換頻率，比較采用主動(dòng)式橋接整流器與傳統(tǒng)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?qū)妷杭s為0.7V，其總功率損耗約為7.42W；在相同條件下，主動(dòng)橋接整流器上功率電晶體的導(dǎo)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，采用主動(dòng)橋接整流器時(shí)，半載條件下效率最高可改善0.46%，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示，采用主動(dòng)式橋接整流器在半載測(cè)試條件下可以改善0.42%，而其最高效率可接近98.8%。

為了解決效率以及溫度的問(wèn)題，PFC的主開(kāi)關(guān)一般會(huì)選用TO247封裝或是兩顆功率電晶體并聯(lián)，然而為了提升功率密度，在新式封裝結(jié)合新式晶粒的功率電晶體被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，采用單顆功率電晶體取代兩顆功率電晶體并聯(lián)，已是被驗(yàn)證可行且值得推薦的可靠方案，在系統(tǒng)散熱條件不變的情況下，可利用TO247 4pin封裝來(lái)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(jí)導(dǎo)通電阻的TO247封裝元件作比較，能夠改善開(kāi)關(guān)功率損耗達(dá)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(jié)構(gòu)之中，若改采用TOLL封裝，除了同樣能夠利用Kelvin source帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)提升切換效率，結(jié)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(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減少作業(yè)員加工所造成的不確定性及ESD破壞。

貼片式封裝除了元件本身接腳的雜散電感遠(yuǎn)低于接腳型封裝，透過(guò)元件布局的妥善設(shè)計(jì)，亦能減少回路的寄生電感，有效改善功率電晶體在切換時(shí)的寄生損耗，并能降低汲-源極間的電壓突波在相同的測(cè)試條件下，采用不同封裝的功率電晶體電壓突波實(shí)驗(yàn)波形中，使用TOLL封裝的功率電晶體所量測(cè)到的電壓突波較TO247 4pin降低約22V，證明減少回路雜散電感對(duì)抑制電壓突波的正面影響。

結(jié)語(yǔ)

功率電晶體的極低導(dǎo)通電阻應(yīng)用于主動(dòng)式橋接整流，能夠在延用傳統(tǒng)PFC的大前提下，透過(guò)低導(dǎo)通損耗取代橋接整流器的導(dǎo)通損耗，使高效率高功率密度能夠輕易被實(shí)現(xiàn)；功率電晶體的新式封裝導(dǎo)入了Kelvin source的概念最佳化開(kāi)關(guān)元件的切換行為，改善了封裝寄生電感所造成的切換轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)間延遲，有效提升系統(tǒng)效率；同時(shí)使用貼片式封裝元件來(lái)降低開(kāi)關(guān)元件所占的空間，除了提升系統(tǒng)功率密度之外，更有助于實(shí)現(xiàn)模組化的組裝設(shè)計(jì)。

在目前要求高效率、高功率密度以及降低產(chǎn)品不良率電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求下，結(jié)合新式封裝與極低導(dǎo)通電阻的功率電晶體，將有助于電源設(shè)計(jì)工程師開(kāi)發(fā)更具優(yōu)勢(shì)亦更符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。