寫(xiě)在前面
上一節(jié)內(nèi)容寫(xiě)到了高頻開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)?，這一節(jié)主要寫(xiě)開(kāi)關(guān)電源中的功率半導(dǎo)體元件（可控硅、三極管、IGBT、MOSFET等）。
各種功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的局限
常規(guī)的各種電源變換拓?fù)涠家蕾?lài)功率半導(dǎo)體元件做功率開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電能變換。下面分別寫(xiě)寫(xiě)現(xiàn)在主流的、以及可能成為主流的功率半導(dǎo)體元件的特點(diǎn)和局限。
首先要說(shuō)的是晶閘管。相對(duì)來(lái)說(shuō)，在各種分立功率半導(dǎo)體元件中，晶閘管的成本、容量大。并聯(lián)諧振的中頻感應(yīng)加熱電爐是其典型的大功率應(yīng)用之一，整流、逆變部分都可能會(huì)使用晶閘管，能做到兆瓦級(jí)的功率。而晶閘管的主要缺點(diǎn)，一是開(kāi)關(guān)速度太慢，開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換的過(guò)渡時(shí)間甚至?xí)_(dá)到us級(jí)，限制了應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率難以超過(guò)10kHz；二是普通可控硅無(wú)法主動(dòng)關(guān)斷，限制了其應(yīng)用的拓?fù)洹?/p>
開(kāi)關(guān)速度好一點(diǎn)的是雙極型三極管。三極管的開(kāi)關(guān)速度顯著改善，并且可以主動(dòng)關(guān)斷，在電源中用作功率開(kāi)關(guān)比可控硅要方便。但是因?yàn)槠潆娏髟鲆媸芟蓿龢O管如果想做大的電流容量的是很難的——有興趣的讀者可以搜一下，集電極電流較大的三極管要么是達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，要么電流增益只有20。當(dāng)前以三極管做為開(kāi)關(guān)元件的電源，一般功率較小，比如低端熒光燈的電子鎮(zhèn)流器。在電源中，三極管開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到20kHz。
開(kāi)關(guān)性能更進(jìn)一步的是IGBT。與三極管同樣是雙極型器件，但I(xiàn)GBT是電壓型驅(qū)動(dòng)，不再有三極管增益不足的問(wèn)題，其電流容量顯著增大。眾所周知，IGBT的關(guān)斷過(guò)程有明顯的電流拖尾——IGBT開(kāi)關(guān)速度還是不太夠，開(kāi)關(guān)頻率限制在100kHz以?xún)?nèi)。
MOSFET作為單極型器件，開(kāi)關(guān)速度顯著改善。基于Si材料MOSFET的開(kāi)關(guān)電源，工作頻率已經(jīng)可以到MHz級(jí)別，但是Si MOSFET容量有限，難以做到較高的阻斷電壓。另外Si MOSFET的寄生體二極管的反向恢復(fù)特性差，因而在部分拓?fù)渲胁豢捎?。Si MOSFET的潛力在經(jīng)過(guò)超級(jí)結(jié)技術(shù)的壓榨后，似乎已經(jīng)開(kāi)始接近極限。
SiC MOSFET最近幾年發(fā)展的很好。SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體，基于SiC的MOSFET開(kāi)關(guān)速度進(jìn)一步改善，同時(shí)提高了MOSFET的容量，阻斷電壓可以輕松達(dá)到1200V。SiC MOSFET的體二極管的反向恢復(fù)特性也有顯著的改善，極大擴(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)景。然而，SiC MOSFET并沒(méi)有顯著的推高電源的工作頻率，當(dāng)前主要的貢獻(xiàn)還是改善了電源的性能。SiC MOSFET當(dāng)前主要的問(wèn)題，一是制造工藝還在進(jìn)步中，最有前途的工藝路線(xiàn)還在競(jìng)爭(zhēng)篩選中，SiC原材料的晶體缺陷、成品MOSFET的柵極氧化層的性能退化問(wèn)題都在一定程度上影響著SiC MOSFET的長(zhǎng)期可靠性 ；二是目前各個(gè)半導(dǎo)體原廠(chǎng)的SiC MOSFET產(chǎn)品系列仍在擴(kuò)充過(guò)程中，可選的型號(hào)遠(yuǎn)不如Si MOSFET那么豐富；三是各個(gè)廠(chǎng)家的SiC MOSFET在驅(qū)動(dòng)參數(shù)上差異較大，暫時(shí)還沒(méi)有某一家的產(chǎn)品成為主流；四是SiC原材料成本較高，SiC MOSFET價(jià)格較貴；五是當(dāng)前全球SiC產(chǎn)能有限。這些因素都限制了SiC MOSFET的應(yīng)用。目前SIC MOSFET在電源產(chǎn)品中的應(yīng)用只算是剛剛起步。
GaN是近幾年也很火的另一種寬禁帶半導(dǎo)體材料。GaN晶體管在650V電壓等級(jí)比SiC更有優(yōu)勢(shì)，開(kāi)關(guān)速度更快、結(jié)電容更小。但是相比SiC，GaN材料的功率半導(dǎo)體元件生產(chǎn)工藝似乎更加不成熟，一定程度上限值了其推廣——增強(qiáng)型GaN HEMT目前對(duì)驅(qū)動(dòng)要求很高，耗盡型一般需要與Si MOSFET組成復(fù)合管使用，關(guān)于GaN晶體管的長(zhǎng)期穩(wěn)定性模型和壽命模型也沒(méi)有完全建立。GaN材料也比較貴，Si襯底的GaN晶體管改善了元件成本。目前，在電源領(lǐng)域，似乎GaN晶體管只是在少量的消費(fèi)類(lèi)電子上比較火，估計(jì)距離規(guī)模的工業(yè)級(jí)應(yīng)用還有一定的距離。
關(guān)于我個(gè)人對(duì)SiC和GaN現(xiàn)狀的一些了解，會(huì)寫(xiě)在另一篇文章中，算是當(dāng)前這個(gè)系列文章的一個(gè)番外吧。
通過(guò)簡(jiǎn)單列舉現(xiàn)在電源領(lǐng)域常用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)類(lèi)元件，大概可以了解：晶閘管、Si三極管、IGBT無(wú)法支持繼續(xù)推高開(kāi)關(guān)頻率；Si MOSFET的潛力即將被挖掘殆盡，即使現(xiàn)在已有LDMOS用于高頻開(kāi)關(guān)電源，功率容量所限未來(lái)也難以成為主流；未來(lái)潛力較大的還是SiC和GaN材料的新型晶體管。尤其是GaN，在中低壓上的優(yōu)勢(shì)非常明顯。目前只能期待其工藝的進(jìn)一步發(fā)展與成熟。
功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)封裝與散熱
除半導(dǎo)體元件自身的特性影響其可達(dá)到的開(kāi)關(guān)頻率外，功率半導(dǎo)體元件的封裝在不同頻率的可用性差異也很大。
當(dāng)前在大功率電源用應(yīng)用較多的還是直插封裝，比如目前TO-220、TO-247的出貨量都是很大的。但是這類(lèi)封裝的引線(xiàn)寄生電感較大，直接限值了這些元件應(yīng)用于更高的工作頻率。甚至一些貼片封裝，比如DPAK、D2PAK等，在高頻時(shí)應(yīng)用的性能也不是很理想。高頻開(kāi)關(guān)電源中的功率半導(dǎo)體封裝，需要更小的引線(xiàn)電感、單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)回路。
比較有潛力的可能包括下面這些封裝：
而目前來(lái)說(shuō)，除最后一種（Infineon稱(chēng)為T(mén)SON，ONsemi稱(chēng)為PQFN）出貨量已經(jīng)很大，前面三種（分別是TO-247-4L、TOLL、VSON/PQFN）都才剛剛開(kāi)始推廣。
這些封裝都有更小的引線(xiàn)電感和源極的開(kāi)爾文連接，一定程度上改善了開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)損耗。
比如下圖是某半導(dǎo)體廠(chǎng)家對(duì)比的4引腳TO-247封裝相比3引腳封裝的測(cè)試數(shù)據(jù)，特定條件下兩種封裝在開(kāi)關(guān)損耗上的差異還是很明顯的：
通過(guò)上圖應(yīng)該可以感受到功率半導(dǎo)體元件的封裝對(duì)其開(kāi)關(guān)損耗的影響。在實(shí)際的應(yīng)用中，這些新封裝帶來(lái)的挑戰(zhàn)主要是散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。尤其對(duì)貼片類(lèi)封裝來(lái)說(shuō)，元件頂面可以加散熱器，但是頂面熱阻較大；底面的熱阻較小，但要貼PCB，最高殼溫已經(jīng)被PCB材質(zhì)的耐溫能力限制了。對(duì)第一點(diǎn)，已有改進(jìn)的雙面散熱封裝，只是目前似乎出貨量還不大。
另一方面，目前的封裝材料和封裝工藝在一定程度上限值了寬禁帶材料器件的最高結(jié)溫。因?yàn)橄馭iC本身的耐溫能力遠(yuǎn)強(qiáng)于Si，但是成品SiC元件的最高結(jié)溫似乎并沒(méi)有與Si元件拉開(kāi)差距：功率半導(dǎo)體的塑封材料屬有機(jī)高分子，溫度影響其壽命；功率半導(dǎo)體DIE表面的金屬鍍層和邦定線(xiàn)的耐溫能力也是一個(gè)限制。
（下節(jié)預(yù)告：高頻開(kāi)關(guān)電源中的無(wú)源元件）