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电源应用集成功率半导体器件
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Integrated Power Semiconductor Devices for Power
Supply
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■IXYS 半导体 Andreas Lindemann
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ISOPLUS i4TM系列功率半导体器件提供的性能使其非常适合开关模式电源（SMPS）应用：集成度高、工作特性可针对高开关频率优化、集成隔离/绝缘措施可以简化安装，此外对于高电压应用如果需要的话还可提供较大的防放电和漏电间隔。本文详细介绍了这些器件所使用的技术，并特别针对开关电源应用讨论了其特性。
SMPS电路
开关电源的主要部分通常包括市电（交流电）整流器、到变压器的逆变器初级绕组和第二个高频整流器。
市电整流器通常是简单的无控制单相或三相电路，如图1（左侧）所示。如果需要增强的EMC特性（正如几种标准所要求的），那么就要采用有功功率因素校正电路，请参考图1（右侧）。
高频变压器初级和次级侧的SMPS开关电路有多种形式，图2给出了两个例子。其中，输入电压为U1，输出电压为U2。两种拓扑结构都是快速开关电路，右侧的电路利用同步整流来减小低输出电压时的损失。
从这两个例子电路中我们可以得出电源电子器件必须满足的几个要求。
●市电整流器应该相当坚固以避免被上电时或由于市电电压反常时尖峰造成的浪涌电流损坏。快速软开关二极管也有助于降低导通辐射。
●快速开关器件的动作特性。带功率因数校正的市电整流器（图1右）中的斩波器或图2中的器件必须适应特定的电路。如，利用高频电压控制的晶体管应当具有低栅极电容以降低驱动功率，而快速关断的二极管速度也必须足够快。
●进一步，在电路的快速开关部分有几个电流通道，因此寄存电感Lp要尽可能小以避免瞬态过压尖峰Uind = Lp * di/dt。例如，这需要对斩波器D1/T1，
T2/D2或图2（右）中的共源极MOSFETs T3/T4进行仔细的考虑。
●不同的电路单元需要彼此隔离，并与接地的散热器隔离。如果在功率半导体器件中实现了这种隔离，那么电源部分的装配就会变得比较简单。
●根据开关电压的大小，为了安全原因，器件管脚间以及与散热器间必须有足够的间距以防止击穿放电和漏电。
●进一步的要求涉及功率密度、成本等因素。
功率半导体技术
ISOPLUSTM 封装
图3所示的（左及中间）ISOPLUSi4TM器件的外形与电源设计中经常用至的标准分立器件类似。事实上，21mm长和5mm高的尺寸与业界标准的TO247封装相对应，而200mm的宽度则来自TO264。然而，图3（右）中的横切面图显示出了传统分立器件与新的ISOPLUSTM器件间的不同：ISOPLUSTM器件封装基于陶瓷衬底板直接铜键合（DCB）技术。其上面镀的金属层可以做成类似印刷电路板的结构（在其中构造出可以支持硅芯片的导线图样），并进一步利用键合导线进行电气连接。这一组件包括一个有五个引脚的引线框，并最终采用模制塑料封装。因此DCB中的陶瓷片位于芯片和散热器中间并起到两个作用，实现电路与地的隔离和绝缘，同时将芯片中生成的热量传递到外部。基于DCB的封装多年来已在电源及电力半导体模块中得到应用。IXYS公司第一个应用DCB的模制塑料封装分立器件是TO247型的ISOPLUS
247TM；并很快将该技术扩展应用到更大的ISOPLUS i4TM。本文主要讨论小型的TO200类型的ISOPLUS 220TM。ISOPLUSTM器件通常提供以下特点：
●由于可以在DCB构造导电图形，因此只要空间对于所需要的额定电流值是足够的并且对于所用的电路来说有足够的引脚，那么可以结合任何电路。这样可以做到较高的集成度。
●可通过管脚排列方便印刷电路板的布局，从而使电流环面积达到最小，从而避免或减小寄生电感Lp。
●由于绝缘隔离所用的陶瓷衬底介电常数 r很低，因此电路和接地散热器间的总耦合电容低至仅有40pF。这有利于抑制高频位移电流的扰动流动。
●由于器件内部采用陶瓷衬底，因此外部不需要采用绝缘垫。陶瓷衬底相对较高的热导率也使芯片和散热器间的热阻比传统分立元件要小。很明显，这进一步方便了安装过程。
●电路管脚和后端与接地散热器接触的金属镀层间的防漏电间隔为5.5mm。对于高截止电压的器件还可为相应的管脚提供更大的防漏电和击穿间隔。图4勾划出不同版本的器件：ISOPLUS
i4TM单晶体管或双二极管封装的高压端子间的防漏电和击穿间隔分别为7mm 和5.5mm。这远远大于标准TO247/TO264封装提供的3.5mm间隔。
●除了不再需要外部器件隔离措施以外，这些器件还可以利用传统分立器件所采用的标准生产工艺进行安装，引脚焊接到印刷电路板上，器件封装夹在散热器上。
●硅芯片和DCB陶瓷衬底的热膨胀系统相近。这样其温度循环可靠性大大增加，这一点在电源间断工作时尤其重要。
晶体管、二极管和晶闸管
上面描述的ISOPLUS i4TM器件可用来封装多种功率半导体芯片。本小节旨在给出一个综述，重点讨论哪些类型的芯片最适合SMPS开关电源的哪些部分。在连接市电的交流整流器部分通常应用标准的整流二极管。为优化EMC特性或如果输入频率较高（如在航空网络中），可利用快速二极管。还有所谓的快速整流二极管以及更快的快速恢复外延单向二极管（FRED）也可作下面所述的斩波器和半桥中的单向二极管。此外，还可利用晶闸管代替二极管，好处是可以控制浪涌电流，特别是在额定功率高或初级侧DC线路电容大的情况。
对于SMPS电源部分的快速开关部分（参看图1中的斩波器D/T或图2中的晶体管和二极管）来说，选择哪种器件更依赖于电压和频率的高低。
对于晶体管来说，低驱动电压或高截止频率使得上面原理图中所示的MOSFET成为理想的选择。低栅极电容的器件可降低高频运作时的驱动功率，而沟道型MOSFET器件则具有极低的导通电阻RDSon，截止电压也高达100V到200V。如果容许一定的开关损失的话，也可以应用IGBT器件，通常在600V时，特别是1200V设备中经常采用IGBT器件。但必须考虑到IGBT关断时不可避免的尾电流，即使采用软开关方法时仍会导致开关损失。这一效应与IGBT技术本身有关。BIMOSFETTM器件同时结合了相对低的导通损失和快速开关特性。
对于变压器次级一侧的低电压整流，由于工作在高频率，可以应用肖特基二极管或MOSFET。前者的截止电压最高达180V左右。对于高频率来说，最好选择仅基于肖特基效应的器件，这可降低开关损失。MOSFET可用于同步整流器，传导损失更小。如果整流电压较高，前面提到的FRED快速恢复二极管比较理想。可以通过串联的方式达到较低的反向恢复电路峰值。
FRED或肖特基二极管还可在变压器初级一侧的斩波器或半桥电路中做为单向二极管。在将MOSFET内部固有的二极管做为单向电流通路时，则必须保证它的开关速度足够快速。
SMPS器件
下面建议的用于SMPS的ISOPLUS i4TM器件是利用上面所描述的技术制造的。本节给出了它们最重要的标称值和特性概况，都是从相应的数据手册中摘录出来的。
市电整流器
在一个ISOPLUS i4TM器件中可集成单相或三相整流器。在表1中给出了不同类型的器件以及其主要标称数据，请注意AC端子和DC端子是分开的，这样可方便印刷电路板的布线。如果需要的话，可利用FCC类型的晶闸管半桥构成一个可控市电整流器来代替由FBO或FUO型号构成的非控制整流桥。通过将端子2和3短接，还可构成一个晶闸管AC控制器。
表1中的整流器针对输入市电整流。
用于高频逆变器的单晶体管、斩波器和半桥电路
这些器件可根据进行不同的分类：
●根据拓扑方式分类：
单开关是最简单的电路。此类器件利用了ISOPLUS i4TM所提供的大击穿和漏电间隔特点。请注意，低电压器件中栅极和源极或发射极端子相邻，高电压则出现在它们和离得最远的漏极或集电极端子间。
斩波器或半桥具有更高的集成度。这对提高电源功率密度是有好处的。并且进一步帮助将整流路径中的寄生电感Lp降到尽可能小（请参考前面的解释），因此可使动态特性更好。而且，引出线布局方便了印刷电路板布局布线：每类管脚引出线，如控制栅极端子和源或漏极互相放在一起。
最后，共源极双MOSFET适用于高频率逆变器部分（参看图2左），或同步整流器（参看图2右）。此类器件的特点与斩波器和半桥一致。
●根据芯片技术分类：
有几种类型的MOSFET：
低电压器件FMM150-0075P是一款沟道型MOSFET，而其它类型则采用的是平面型MOSFET技术。其中FMD21-05QC 和
FDM21-05QC 针对低栅极电容而优化。
进一步，也有几种不同类型的截止电压更高的IGBT。
BIMOSFETTM的截止电压比通常的MOSFET标称值要高。
斩波器或IGBT半桥中的单向二极管可以采用快速恢复二极管（FRED），或者串联两个FRED来获得更好的开关特性，如图6中的电路框图所示。
高频率输出整流器
前文描述的整流器适合在典型的50Hz 或 60Hz市电频率下工作，本节所讨论的器件的开关特性却使它们可用于高频率整流，如SMPS次级整流器。表2肖特基二极管型号适合于低输出电压的整流应用。如果选用同步整流方式，那么前文中提到的共源极MOSFET是比较适合的。
结论
本文描述了ISOPLUS i4TM系列隔离电源半导体器件所采用的芯片和封装技术。此类器件的特性使其非常适合高级开关电源的设计。开关电源的所有部分，包括输入整流器、可选的功率因子校正器、高频率逆变器和整流器，都可以找到合适类型的器件。该系列器件的高集成度可提高SMPS电源的功率密度，并降低安装成本，同时还可增强电源的工作特性和可靠性。因此ISOPLUSTM器件可为电源技术的发展做出贡献。
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