| 主流功率器件及模块的技术发展趋势 |
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| (2007-6-5 16:29:16) 3264人次浏览 |
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如今，在银盒(Silver-box)电源、电信/服务器电源、感应加热应用、UPS、汽车电子、PDP TV、LCD TV等领域，能承载较大功率的功率半导体器件得到了广泛应用。但与消费电子应用不同的是，工业、通信和汽车电子用大功率器件对可靠性提出了更高要求。正如飞兆半导体高功率产品部副总裁Taehoon Ki所指出的：“高可靠性、节能(能耗更低、能效更高)、高性能、小尺寸、符合RoHS指令应是大功率器件的未来发展趋势。”此外，能源之星、80PLUS、1瓦倡议等能源规范也是目前功率器件革新的关键因素。本文将围绕MOSFET、IGBT、PFC控制器、AC/DC及DC/DC模块等主流功率产品来探讨功率半导体的技术发展状况，以及应用注意事项和技巧。
改善晶片制造工艺和封装工艺是提升MOSFET性能和可靠性的两条有效途径。国际整流器公司(IR)提供的DirectFET MOSFET封装显著改善了器件的散热水平。DirectFET封装具有传统标准塑料分立封装所不能提供的设计优势，其金属罐构造(如图所示)可提供双面冷却功能，将用于驱动先进微型处理器的高频DC/DC降压转换器的电流处理能力提高一倍。IR公司基于该封装技术和HEXFET功率MOSFET硅推出的150V DirectFET MOSFET IRF6643PbF额定电流可达35A，散热表现优秀且效率更高。该器件的典型10V RDS(on)非常低，只有29mΩ。
当衡量MOSFET功率器件的性能时，导通电阻(Ron)和门极电荷(Qg)是一对互相矛盾的指标。通常如果要减小导通电阻，就需要在功率开关器件中尽可能地增加MOS管的并联数量，但由于每个MOS管都相当于一个电容，从而使得等效电容迅速提高，这又增加了开关损耗。因此，无论哪个指标过高都会影响功率器件的性能。英飞凌新推出的500V CoolMOS CP系列从以上两个方面进行了优化，在TO247封装下实现了45mΩ的导通阻抗。由于采用创新的物理结构，并引入N型外延层，这款器件的Ron*A并不会随着击穿电压的增大而迅速攀升，与标准MOSFET相比，它的开关损耗可显著降低。
“由于低导通阻抗MOSFET能够以相同或更小的芯片尺寸在恶劣的电气环境下实现高可靠性，因此可以节省宝贵的板空间。而传统的平面MOS产品则在大芯片尺寸下提供高可靠性。”Taehoon Kim指出。飞兆半导体针对等离子体显示板(PDP)应用推出的FDB2614(200V)和FDB2710(250V)N沟道MOSFET，采用了该公司专利的PowerTrench工艺技术，这些MOSFET可提供极低的导通阻抗和栅极电荷，因而在PDP系统中能获得更低的传导损耗和良好的开关性能。器件采用了占位面积较小的D2PAK封装，能够承受快速电压(dv/dt)和电流(di/dt)开关瞬态。
商用电动车(EV)以及混合动力电动车(HEV)的出现为IGBT模块开创了一个新的市场。但高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，对IGBT功率模块的机械和电气特性提出了苛刻的要求。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件(振动和冲击)的考验。
据英飞凌科技的亚太区混合动力汽车电子技术市场主任工程师Andreas Volke介绍，英飞凌已经开发出HEV专用的两个模块系列HybridPACK1和HybridPACK2。这两种型号的产品都基于英飞凌的IGBT沟道栅场终止技术，能提供最低的导通和开关损耗。其中所选用的600V的第三代芯片能工作在150℃的结温Tj,op下(绝对最大Tj,max=175℃)。
Volke补充道，诸如E-Busses和E-Trucks等大功率电动车辆更需要坚固和可靠的IGBT模块。对于这些应用，PrimePACK系列模块则是理想的选择。它们具有两种不同的封装形式，并具有采用英飞凌IGBT4芯片技术(Tj,op=150℃, Tj,max=175℃)的1,200V/1,400A和1,700V/1,000A的最大半桥配置。
雪崩耐久性也是决定IGBT器件性能的关键因素之一，飞兆半导体的1,200V/15A NPT-Trench IGBT在电磁感应加热(IH)应用中可负荷高达300mJ雪崩能量，从而大幅增强系统可靠性。FGA15N120ANTD提供了低导通损耗(Vce(sat), typ=1.9V)和低开关损耗之间的最佳平衡，同时能够提高效率并显著降低系统工作温度。
在实际应用中，当出现电压和电流相位差或较高的电流谐波时，电源实际所占用的功率可能高于它的实际消耗功率，这样无形中就加重了电网的负担，从而导致整个电网效率的下降。恩智浦半导体(NXP)在其GreenChip III产品将反激式控制器和PFC控制器集成在一起，该产品能够提供更高的效率和更低的待机功耗，以更小的尺寸、更少的外部元器件来满足客户对节能的要求。
大屏幕液晶电视的背光供电过去大多采用低压背光驱动，但随着液晶屏幕价格的下降和尺寸的增大，低压驱动在稳定性和功率效率方面显出了不足之处。由于液晶面板的尺寸增大，如果继续采用低压驱动，则必须对电源输入实行先降压、再升压，以确保足够的功率来驱动整个液晶面板，从而导致二次损耗，不利于提高电源功率。
而采用高压背光驱动的话，通过PFC直接驱动，不但可以减少对AC/DC部分的压力，而且提高了背光的稳定性，很好地满足了大屏幕液晶电视的驱动问题。恩智浦半导体亚太市场及销售多重市场半导体功率管理及接口高级产品市场经理任涛表示：“现在高压背光驱动已逐渐取代低压驱动成为主流。恩智浦UBA207x系列率先在业界提出并倡导高压背光驱动方案。与之配合的GreenChip III TEA1750整合PFC与PWM控制器于一体，它能提供150W左右的功率，很好地满足配合背光高压驱动的电源需求。"
3G用大功率DC/DC模块
大功率DC/DC模块需要桥式电路和软开关来达到更高的效率和更平衡的热分布，以提高模块在高温、基本无风等恶劣条件下输出功率的能力。通常，在3G系统中需要利用大功率DC/DC模块来驱动功率运放。这类应用需要适应宽输入范围(通常是36V到75V)，也要提供宽输出电压范围(通常为向下调整40%到向上调整10%)。一位从事电源设计多年的资深工程师指出，在全输出范围内保证输出电压的稳定十分重要，利用铝壳可以提供更好的散热，以达到更高的热设计要求。他还强调：“在进行大功率DC/DC模块设计时，工程师需要关注模块的降额曲线要求，即在特定的输入电压、环境温度以及风速条件下，模块允许输出的最大功率。这是模块工作的安全线，超出以后会影响到模块的寿命。”
不过，在高性能、大功率电源设计要求更多功率的同时，它们的可用电路板空间大小也日益受限。由于可供给DC/DC功率损耗的散热空间非常小，设计的热性能尤其重要。此外，电源还必须在限制所需外部电容大小的同时实现良好的输出纹波和瞬态响应，以缩减设计方案的总尺寸。在这种情况下，电源设计师必须在分立型电源转换器，或传统的电源模块解决方案中做出选择。
凌力尔特公司产品市场经理Tony Armstrong表示：“分立型电源设计和传统的电源模块都是采用分立元件在一块印刷电路板上制造的，为压缩外形尺寸，它们只能以限制电性能和热性能为代价。而提供一种全集成电路解决方案，即可以提升电性能和热性能，同时又便于工程师使用。”凌力尔特的LTM460x μModule产品线提供了针对众多空间受限型电源设计的解决方案。这些高性能负载点(POL)μModule能够在不牺牲热性能或电性能的情况下解决紧凑占板面积问题。
Power Integrations采用专有的单片高压工艺将功率MOSFET和控制电路集成在单个裸片上，从而获得紧凑型IC解决方案，并最大限度地降低了元器件数目和BOM成本，同时提高了性能。“通过将电源和控制集成在同一颗裸片上，芯片消除了非集成的分立方案所固有的互连寄生效应，因此能够生成效率更高的解决方案。”Power Integrations产品市场总监Reno Rossetti称。该公司新推出的PeakSwitch系列集成IC提供了带有低压控制电路的700V MOSFET，该电路采用ON/OFF控制架构来在满负载情况下确保高效工作。能够处理有限时间内的持续负载和较高的峰值功率需求，并能满足那些对峰值RMS功率比(peak-to-RMS)要求极高的应用。
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