寫在前面

上一節內容寫到了高頻開關電源的拓撲，這一節主要寫開關電源中的功率半導體元件（可控硅、三極管、IGBT、MOSFET等）。

各種功率半導體開關的局限

常規的各種電源變換拓撲都依賴功率半導體元件做功率開關，來實現電能變換。下面分別寫寫現在主流的、以及可能成為主流的功率半導體元件的特點和局限。

首先要說的是晶閘管。相對來說，在各種分立功率半導體元件中，晶閘管的成本、容量大。并聯諧振的中頻感應加熱電爐是其典型的大功率應用之一，整流、逆變部分都可能會使用晶閘管，能做到兆瓦級的功率。而晶閘管的主要缺點，一是開關速度太慢，開關狀態切換的過渡時間甚至會達到us級，限制了應用的開關頻率難以超過10kHz；二是普通可控硅無法主動關斷，限制了其應用的拓撲。

開關速度好一點的是雙極型三極管。三極管的開關速度顯著改善，并且可以主動關斷，在電源中用作功率開關比可控硅要方便。但是因為其電流增益受限，三極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林頓結構，要么電流增益只有20。當前以三極管做為開關元件的電源，一般功率較小，比如低端熒光燈的電子鎮流器。在電源中，三極管開關頻率可以達到20kHz。

開關性能更進一步的是IGBT。與三極管同樣是雙極型器件，但IGBT是電壓型驅動，不再有三極管增益不足的問題，其電流容量顯著增大。眾所周知，IGBT的關斷過程有明顯的電流拖尾——IGBT開關速度還是不太夠，開關頻率限制在100kHz以內。

MOSFET作為單極型器件，開關速度顯著改善。基于Si材料MOSFET的開關電源，工作頻率已經可以到MHz級別，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特性差，因而在部分拓撲中不可用。Si MOSFET的潛力在經過超級結技術的壓榨后，似乎已經開始接近極限。

SiC MOSFET最近幾年發展的很好。SiC是一種寬禁帶半導體，基于SiC的MOSFET開關速度進一步改善，同時提高了MOSFET的容量，阻斷電壓可以輕松達到1200V。SiC MOSFET的體二極管的反向恢復特性也有顯著的改善，極大擴展了其應用場景。然而，SiC MOSFET并沒有顯著的推高電源的工作頻率，當前主要的貢獻還是改善了電源的性能。SiC MOSFET當前主要的問題，一是制造工藝還在進步中，最有前途的工藝路線還在競爭篩選中，SiC原材料的晶體缺陷、成品MOSFET的柵極氧化層的性能退化問題都在一定程度上影響著SiC MOSFET的長期可靠性 ；二是目前各個半導體原廠的SiC MOSFET產品系列仍在擴充過程中，可選的型號遠不如Si MOSFET那么豐富；三是各個廠家的SiC MOSFET在驅動參數上差異較大，暫時還沒有某一家的產品成為主流；四是SiC原材料成本較高，SiC MOSFET價格較貴；五是當前全球SiC產能有限。這些因素都限制了SiC MOSFET的應用。目前SIC MOSFET在電源產品中的應用只算是剛剛起步。

GaN是近幾年也很火的另一種寬禁帶半導體材料。GaN晶體管在650V電壓等級比SiC更有優勢，開關速度更快、結電容更小。但是相比SiC，GaN材料的功率半導體元件生產工藝似乎更加不成熟，一定程度上限值了其推廣——增強型GaN HEMT目前對驅動要求很高，耗盡型一般需要與Si MOSFET組成復合管使用，關于GaN晶體管的長期穩定性模型和壽命模型也沒有完全建立。GaN材料也比較貴，Si襯底的GaN晶體管改善了元件成本。目前，在電源領域，似乎GaN晶體管只是在少量的消費類電子上比較火，估計距離規模的工業級應用還有一定的距離。

關于我個人對SiC和GaN現狀的一些了解，會寫在另一篇文章中，算是當前這個系列文章的一個番外吧。

通過簡單列舉現在電源領域常用的功率半導體開關類元件，大概可以了解：晶閘管、Si三極管、IGBT無法支持繼續推高開關頻率；Si MOSFET的潛力即將被挖掘殆盡，即使現在已有LDMOS用于高頻開關電源，功率容量所限未來也難以成為主流；未來潛力較大的還是SiC和GaN材料的新型晶體管。尤其是GaN，在中低壓上的優勢非常明顯。目前只能期待其工藝的進一步發展與成熟。

功率半導體開關封裝與散熱

除半導體元件自身的特性影響其可達到的開關頻率外，功率半導體元件的封裝在不同頻率的可用性差異也很大。

當前在大功率電源用應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。但是這類封裝的引線寄生電感較大，直接限值了這些元件應用于更高的工作頻率。甚至一些貼片封裝，比如DPAK、D2PAK等，在高頻時應用的性能也不是很理想。高頻開關電源中的功率半導體封裝，需要更小的引線電感、單獨的驅動回路。

比較有潛力的可能包括下面這些封裝：

而目前來說，除最后一種（Infineon稱為TSON，ONsemi稱為PQFN）出貨量已經很大，前面三種（分別是TO-247-4L、TOLL、VSON/PQFN）都才剛剛開始推廣。

這些封裝都有更小的引線電感和源極的開爾文連接，一定程度上改善了開關速度和開關損耗。

比如下圖是某半導體廠家對比的4引腳TO-247封裝相比3引腳封裝的測試數據，特定條件下兩種封裝在開關損耗上的差異還是很明顯的：

通過上圖應該可以感受到功率半導體元件的封裝對其開關損耗的影響。在實際的應用中，這些新封裝帶來的挑戰主要是散熱結構的設計。尤其對貼片類封裝來說，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，最高殼溫已經被PCB材質的耐溫能力限制了。對第一點，已有改進的雙面散熱封裝，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溫。因為像SiC本身的耐溫能力遠強于Si，但是成品SiC元件的最高結溫似乎并沒有與Si元件拉開差距：功率半導體的塑封材料屬有機高分子，溫度影響其壽命；功率半導體DIE表面的金屬鍍層和邦定線的耐溫能力也是一個限制。

（下節預告：高頻開關電源中的無源元件）