如今，在銀盒(Silver-box)電源、電信/服務(wù)器電源、感應(yīng)加熱應(yīng)用、UPS、汽車電子、PDP TV、LCD TV等領(lǐng)域，能承載較大功率的功率半導(dǎo)體器件得到了廣泛應(yīng)用。但與消費(fèi)電子應(yīng)用不同的是，工業(yè)、通信和汽車電子用大功率器件對(duì)可靠性提出了更高要求。正如飛兆半導(dǎo)體高功率產(chǎn)品部副總裁Taehoon Ki所指出的：“高可靠性、節(jié)能(能耗更低、能效更高)、高性能、小尺寸、符合RoHS指令應(yīng)是大功率器件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)?！贝送?，能源之星、80PLUS、1瓦倡議等能源規(guī)范也是目前功率器件革新的關(guān)鍵因素。本文將圍繞MOSFET、IGBT、PFC控制器、AC/DC及DC/DC模塊等主流功率產(chǎn)品來(lái)探討功率半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，以及應(yīng)用注意事項(xiàng)和技巧。 MOSFET典型導(dǎo)通電阻降至29mΩ 改善晶片制造工藝和封裝工藝是提升MOSFET性能和可靠性的兩條有效途徑。國(guó)際整流器公司(IR)提供的DirectFET MOSFET封裝顯著改善了器件的散熱水平。DirectFET封裝具有傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)塑料分立封裝所不能提供的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，其金屬罐構(gòu)造(如圖所示)可提供雙面冷卻功能，將用于驅(qū)動(dòng)先進(jìn)微型處理器的高頻DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的電流處理能力提高一倍。IR公司基于該封裝技術(shù)和HEXFET功率MOSFET硅推出的150V DirectFET MOSFET IRF6643PbF額定電流可達(dá)35A，散熱表現(xiàn)優(yōu)秀且效率更高。該器件的典型10V RDS(on)非常低，只有29mΩ。

IR公司的DirectFET封裝可在MOSFET器件的頂部進(jìn)行冷卻。e64esmc

當(dāng)衡量MOSFET功率器件的性能時(shí)，導(dǎo)通電阻(Ron)和門極電荷(Qg)是一對(duì)互相矛盾的指標(biāo)。通常如果要減小導(dǎo)通電阻，就需要在功率開(kāi)關(guān)器件中盡可能地增加MOS管的并聯(lián)數(shù)量，但由于每個(gè)MOS管都相當(dāng)于一個(gè)電容，從而使得等效電容迅速提高，這又增加了開(kāi)關(guān)損耗。因此，無(wú)論哪個(gè)指標(biāo)過(guò)高都會(huì)影響功率器件的性能。英飛凌新推出的500V CoolMOS CP系列從以上兩個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化，在TO247封裝下實(shí)現(xiàn)了45mΩ的導(dǎo)通阻抗。由于采用創(chuàng)新的物理結(jié)構(gòu)，并引入N型外延層，這款器件的Ron*A并不會(huì)隨著擊穿電壓的增大而迅速攀升，與標(biāo)準(zhǔn)MOSFET相比，它的開(kāi)關(guān)損耗可顯著降低。 “由于低導(dǎo)通阻抗MOSFET能夠以相同或更小的芯片尺寸在惡劣的電氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高可靠性，因此可以節(jié)省寶貴的板空間。而傳統(tǒng)的平面MOS產(chǎn)品則在大芯片尺寸下提供高可靠性?！盩aehoon Kim指出。飛兆半導(dǎo)體針對(duì)等離子體顯示板(PDP)應(yīng)用推出的FDB2614(200V)和FDB2710(250V)N溝道MOSFET，采用了該公司專利的PowerTrench工藝技術(shù)，這些MOSFET可提供極低的導(dǎo)通阻抗和柵極電荷，因而在PDP系統(tǒng)中能獲得更低的傳導(dǎo)損耗和良好的開(kāi)關(guān)性能。器件采用了占位面積較小的D2PAK封裝，能夠承受快速電壓(dv/dt)和電流(di/dt)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。 混合動(dòng)力汽車對(duì)IGBT的新要求 商用電動(dòng)車(EV)以及混合動(dòng)力電動(dòng)車(HEV)的出現(xiàn)為IGBT模塊開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的市場(chǎng)。但高環(huán)境溫度、暴露于機(jī)械沖擊以及特定的驅(qū)動(dòng)循環(huán)等環(huán)境條件，對(duì)IGBT功率模塊的機(jī)械和電氣特性提出了苛刻的要求。EV和HEV中對(duì)IGBT功率模塊的可靠性要求最高的部分是傳動(dòng)系，IGBT位于逆變器中，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量。根據(jù)傳動(dòng)系的概念，逆變器可以放置在汽車尾箱、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機(jī)的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受嚴(yán)峻的熱和機(jī)械條件(振動(dòng)和沖擊)的考驗(yàn)。 據(jù)英飛凌科技的亞太區(qū)混合動(dòng)力汽車電子技術(shù)市場(chǎng)主任工程師Andreas Volke介紹，英飛凌已經(jīng)開(kāi)發(fā)出HEV專用的兩個(gè)模塊系列HybridPACK1和HybridPACK2。這兩種型號(hào)的產(chǎn)品都基于英飛凌的IGBT溝道柵場(chǎng)終止技術(shù)，能提供最低的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。其中所選用的600V的第三代芯片能工作在150℃的結(jié)溫T_j,op下(絕對(duì)最大T_j,max=175℃)。 Volke補(bǔ)充道，諸如E-Busses和E-Trucks等大功率電動(dòng)車輛更需要堅(jiān)固和可靠的IGBT模塊。對(duì)于這些應(yīng)用，PrimePACK系列模塊則是理想的選擇。它們具有兩種不同的封裝形式，并具有采用英飛凌IGBT4芯片技術(shù)(T_j,op=150℃, T_j,max=175℃)的1,200V/1,400A和1,700V/1,000A的最大半橋配置。 雪崩耐久性也是決定IGBT器件性能的關(guān)鍵因素之一，飛兆半導(dǎo)體的1,200V/15A NPT-Trench IGBT在電磁感應(yīng)加熱(IH)應(yīng)用中可負(fù)荷高達(dá)300mJ雪崩能量，從而大幅增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。FGA15N120ANTD提供了低導(dǎo)通損耗(Vce(sat), typ=1.9V)和低開(kāi)關(guān)損耗之間的最佳平衡，同時(shí)能夠提高效率并顯著降低系統(tǒng)工作溫度。 PFC走向與PWM控制器融合 在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)出現(xiàn)電壓和電流相位差或較高的電流諧波時(shí)，電源實(shí)際所占用的功率可能高于它的實(shí)際消耗功率，這樣無(wú)形中就加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，從而導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)效率的下降。恩智浦半導(dǎo)體(NXP)在其GreenChip III產(chǎn)品將反激式控制器和PFC控制器集成在一起，該產(chǎn)品能夠提供更高的效率和更低的待機(jī)功耗，以更小的尺寸、更少的外部元器件來(lái)滿足客戶對(duì)節(jié)能的要求。 大屏幕液晶電視的背光供電過(guò)去大多采用低壓背光驅(qū)動(dòng)，但隨著液晶屏幕價(jià)格的下降和尺寸的增大，低壓驅(qū)動(dòng)在穩(wěn)定性和功率效率方面顯出了不足之處。由于液晶面板的尺寸增大，如果繼續(xù)采用低壓驅(qū)動(dòng)，則必須對(duì)電源輸入實(shí)行先降壓、再升壓，以確保足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)液晶面板，從而導(dǎo)致二次損耗，不利于提高電源功率。 而采用高壓背光驅(qū)動(dòng)的話，通過(guò)PFC直接驅(qū)動(dòng)，不但可以減少對(duì)AC/DC部分的壓力，而且提高了背光的穩(wěn)定性，很好地滿足了大屏幕液晶電視的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。恩智浦半導(dǎo)體亞太市場(chǎng)及銷售多重市場(chǎng)半導(dǎo)體功率管理及接口高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理任濤表示：“現(xiàn)在高壓背光驅(qū)動(dòng)已逐漸取代低壓驅(qū)動(dòng)成為主流。恩智浦UBA207x系列率先在業(yè)界提出并倡導(dǎo)高壓背光驅(qū)動(dòng)方案。與之配合的GreenChip III TEA1750整合PFC與PWM控制器于一體，它能提供150W左右的功率，很好地滿足配合背光高壓驅(qū)動(dòng)的電源需求。" 3G用大功率DC/DC模塊 大功率DC/DC模塊需要橋式電路和軟開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到更高的效率和更平衡的熱分布，以提高模塊在高溫、基本無(wú)風(fēng)等惡劣條件下輸出功率的能力。通常，在3G系統(tǒng)中需要利用大功率DC/DC模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)功率運(yùn)放。這類應(yīng)用需要適應(yīng)寬輸入范圍(通常是36V到75V)，也要提供寬輸出電壓范圍(通常為向下調(diào)整40%到向上調(diào)整10%)。一位從事電源設(shè)計(jì)多年的資深工程師指出，在全輸出范圍內(nèi)保證輸出電壓的穩(wěn)定十分重要，利用鋁殼可以提供更好的散熱，以達(dá)到更高的熱設(shè)計(jì)要求。他還強(qiáng)調(diào)：“在進(jìn)行大功率DC/DC模塊設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要關(guān)注模塊的降額曲線要求，即在特定的輸入電壓、環(huán)境溫度以及風(fēng)速條件下，模塊允許輸出的最大功率。這是模塊工作的安全線，超出以后會(huì)影響到模塊的壽命?！? 不過(guò)，在高性能、大功率電源設(shè)計(jì)要求更多功率的同時(shí)，它們的可用電路板空間大小也日益受限。由于可供給DC/DC功率損耗的散熱空間非常小，設(shè)計(jì)的熱性能尤其重要。此外，電源還必須在限制所需外部電容大小的同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)，以縮減設(shè)計(jì)方案的總尺寸。在這種情況下，電源設(shè)計(jì)師必須在分立型電源轉(zhuǎn)換器，或傳統(tǒng)的電源模塊解決方案中做出選擇。 凌力爾特公司產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Tony Armstrong表示：“分立型電源設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的電源模塊都是采用分立元件在一塊印刷電路板上制造的，為壓縮外形尺寸，它們只能以限制電性能和熱性能為代價(jià)。而提供一種全集成電路解決方案，即可以提升電性能和熱性能，同時(shí)又便于工程師使用?！绷枇柼氐腖TM460x μModule產(chǎn)品線提供了針對(duì)眾多空間受限型電源設(shè)計(jì)的解決方案。這些高性能負(fù)載點(diǎn)(POL)μModule能夠在不犧牲熱性能或電性能的情況下解決緊湊占板面積問(wèn)題。 Power Integrations采用專有的單片高壓工藝將功率MOSFET和控制電路集成在單個(gè)裸片上，從而獲得緊湊型IC解決方案，并最大限度地降低了元器件數(shù)目和BOM成本，同時(shí)提高了性能?！巴ㄟ^(guò)將電源和控制集成在同一顆裸片上，芯片消除了非集成的分立方案所固有的互連寄生效應(yīng)，因此能夠生成效率更高的解決方案?！盤ower Integrations產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Reno Rossetti稱。該公司新推出的PeakSwitch系列集成IC提供了帶有低壓控制電路的700V MOSFET，該電路采用ON/OFF控制架構(gòu)來(lái)在滿負(fù)載情況下確保高效工作。能夠處理有限時(shí)間內(nèi)的持續(xù)負(fù)載和較高的峰值功率需求，并能滿足那些對(duì)峰值RMS功率比(peak-to-RMS)要求極高的應(yīng)用。