功率晶體管助高效率、高功率密度轉換器實現

　　在新式發電/節能技術及裝置的背后，高頻切換電源轉換器扮演著極重要的角色。高頻切換電源轉換技術，乃是利用半導體功率組件以“高頻切換”方式，結合各式能量轉換組件如變壓器、儲能組件如電感及電容，達到高效率、高功率密度的要求。

　　具有較低功率損耗的功率晶體管，是達到較高的電源轉換效率，符合日益嚴謹的電源轉換效率規范的有效手段。綜觀功率晶體管的技術發展可分為兩個方向:“晶粒(die)”技術及“封裝(packaging)技術”。

　　(1)晶粒技術的發展主軸是以更低的導通電阻、更快的切換速度及更小的極間電容，大幅降低功率晶體管的導通損耗、切換損耗及其他可能損耗；

　　(2)封裝技術的發展重心是改進或提出新式封裝結構及技術，降低封裝所造成的寄生電阻及寄生電感，除降低導通電阻、提高切換速度外，并能提升功率晶體管的散熱能力及最大功率承受能力。

　　圖1為低電壓及高電壓功率晶體管之導通電阻分布圖，其中，對高電壓功率晶體管而言，晶粒技術發展的重要性遠勝于封裝技術，因為導通電阻的貢獻主要來自晶粒而非封裝；低電壓功率晶體管的導通電阻分布，取決于不同的封裝方式，其最低導通電阻亦會受到封裝方式所限制

　　圖1，功率晶體管之導通電阻分布圖

　　從整體轉換器效率觀之，除了導通損耗、切換損耗外，在極低負載電流條件下，功率晶體管的電容性損失(capacitive loss)及功率晶體管的驅動損失(driving loss)亦不容小覷。圖2為80V功率晶體管應用于125KHz切換頻率，全橋相移式轉換器之同步整流器功率損耗分布圖，功率晶體的切換導通/截止損耗在此忽略不計，由圖中可知，當輸出負載電流愈低時，電容損耗及驅動損耗所占比例愈高，在功率晶體管的技術發展上，除了降低導通電阻外，有效減少極間電容所造成的晶體電容損耗及驅動損耗，能夠大幅改善電源轉換器在輕載條件下的效率。

　　圖2，同步整流功率晶體管之損耗分布圖。

　　圖三為英飛凌科技OptiMOSTM3及新一代OptiMOSTMGen5功率晶體管的優質化系數及應用于降壓轉換器之效率比較圖。在各項優質化系數降低的同時，所反映出來的是在系統上效率的大幅提升。

　　圖3，英飛凌科技OptiMOSTM3及OptiMOSTMGen5的FOM及效率比較圖。

　　此外，功率晶體管結構的改良，使得功率晶體管能夠在較低的驅動電壓下操作在最佳的區域，晶體本身能夠在導通損失及切換損失兩者間取得平衡，使得轉換器無論是在輕載或是滿載下，能夠具有足夠很高的轉換效率。圖4為降壓轉換器效率與驅動電壓的關系比較圖。

　　圖4，降壓轉換器效率與驅動電壓的關系比較圖。

　　圖5為TO-220及SSO8(Power-PAK)的封裝透視圖，其中TO-220的引線(lead)在柵(Gate)極、泄極(Drain)及源極(Source)的寄生電感值，在未修剪引線長度的條件下，分別約為16nH, 13nH及15nH左右，其中柵極與源極的引線在驅動回路中造成的寄生電感，限制了功率晶體管的驅動電流上升速度及功率晶體管的切換速度；泄極與源極的引線在功率級回路中造成的寄生電感，在功率晶體管導通時儲存能量，截止時釋放能量至外部線路，不僅降低效率更形成電壓尖波 (spike)的來源之一；泄極與源極的引線所造成的寄生電阻，為導通電阻的一部份，在功率晶體管導通時消耗能量，降低系統效率。相較于TO-220，SSO8的封裝寄生電阻跟寄生電感小得多，能夠達到較低的導通電阻值、較高的效率、較低的尖波電壓準位及較佳的并聯操作特性。

　　圖5，TO-220及SSO8(Power-PAK) 封裝透視圖。

　　如圖6所示，為TO-220及SSO8分別應用在一600W全橋相移式轉換器中，輸出同步整流器上之系統效率比較圖，其輸出電壓為12V，最大輸出電流為50A，由圖中可知，在相同的緩振(snubber)線路中，使用SSO8封裝的功率晶體管，其系統效率高于使用TO-220者。在此兩功率晶體管中所使用的晶粒規格相同，封裝方式不同，可從中看出封裝方式造成的效率差異。

　　圖6，TO-220及SSO8功率晶體管作為輸出同步整流器上之系統效率比較圖。

　　如圖7所示，為相同測試條件下，TO-220及SSO8截止時的晶體電壓比較圖，在滿載負載電流條件之下，在SSO8上的晶體電壓，仍遠低于TO-220的包裝。

　　圖7，TO-220及SSO8晶體電壓比較圖。

　　如圖8所示，為不同表面接著組件之熱阻比較圖，值得一提的是，新式CanPAK的優點在于晶體上的柵極及源極，都是由晶粒本體直接與PCB做連接，并不通過任何的引線或是引線架(Lead-frame)，可以減少可能的源極寄生電感，提高可能的切換速度并降低寄生電感所存貯的能量；泄極通過散熱蓋的方式與PCB做連接，由于晶粒本體與散熱蓋之間的熱阻值遠低于其他傳統之各項封裝，在CanPAK中能夠通過散熱蓋而傳遞出去的熱能大幅增加，有效降低晶粒的溫度，即使在極高切換頻率下，依然能夠達到系統高效率的目標。此外，功率晶體管的最大功率損耗及最大電流是由公式所決定，其中TJ,max為最大接面溫度、TC為引線架溫度、Rth,J-C為接面-引線架之熱阻系數，在于利用有效降低接面-引線架之熱阻，提高功率晶體管之功率損耗及連續電流能力。

　　圖8，不同表面接著組件之熱阻比較圖。

　　英飛凌科技致力于功率晶體管新技術的發展，以今日全球40%的能耗用在電能的產生上，在電源轉換單元中每個單一功率組件所能省下的電能，其背后意義卻是可節省約3座～4座核電廠的能源。英飛凌的產品目前已部署于能源價值鏈的每一個環節中，涵蓋發電、配電及有效運用電力等領域。