如何正確使用功率器件以滿足工業(yè)電源的要求

在工業(yè)應(yīng)用中，AC/DC 電源轉(zhuǎn)換（也稱為“離線式”電源轉(zhuǎn)換）與消費類和大眾市場設(shè)計迥然不同。通常，工業(yè)應(yīng)用的電壓、電流和功率水平相對更高，對熱應(yīng)力和電應(yīng)力的穩(wěn)健性有額外要求，對活動和待機(jī)模式有嚴(yán)格的監(jiān)管規(guī)定，還必須監(jiān)控當(dāng)前工作狀態(tài)以形成反饋回路并進(jìn)行故障檢測。

在這些情況下，有效設(shè)計的關(guān)鍵在于電源轉(zhuǎn)換器控制電路或轉(zhuǎn)換器的核心器件，以及功率開關(guān)器件及其支持組件。這些器件主要用于實現(xiàn)選定的電源拓?fù)?，以所需的電壓和電流提供穩(wěn)定的直流輸出。轉(zhuǎn)換器可以包含集成功率器件（例如 MOSFET），抑或作為碳化硅 (SiC) 功率器件等外部分立功率器件的控制器和驅(qū)動器。有些轉(zhuǎn)換器為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源軌，另一些的功能則不甚顯著，但仍起著至關(guān)重要的作用，充當(dāng)具有特殊通斷屬性的柵極驅(qū)動器。

本文介紹了適用于工業(yè)電源應(yīng)用的各種電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，以及設(shè)計人員在選擇拓?fù)浼捌湎嚓P(guān)元器件之前必須考慮的因素。此外，還介紹了 ROHM Semiconductor 推出的相關(guān)元器件及其有效應(yīng)用。

電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)溥x擇

選擇電源轉(zhuǎn)換器以開發(fā)滿足工業(yè)應(yīng)用苛刻要求的電源時，設(shè)計人員必須在多個選項和利弊權(quán)衡與項目優(yōu)先考慮因素之間取得平衡。實現(xiàn)方法眾多，但最常用的是先估算電源所需功率（以 W 為單位），并考慮是否需要輸入和輸出隔離（圖 1 和圖 2）。這兩個因素可劃出電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞目赡苓x擇。

圖 1：電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員可用的拓?fù)浔姸?，而這些拓?fù)渫c所需的輸出功率范圍兩相對應(yīng)。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

圖 2：每個轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠伎梢杂脴?biāo)記了架構(gòu)核心的簡化電路圖來表示；這些拓?fù)淇砂锤綦x型（下）和非隔離型（上）分為兩類。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

請注意，上述均為開關(guān)模式電源 (SMPS) 拓?fù)?，而非線性模式電源。線性電源的能效較低，僅為 20% 至 40%，只有迫切需要極低輸出噪聲的利基市場應(yīng)用才可接受。工業(yè)設(shè)備則鮮少要求如此之低的功率相關(guān)噪聲。

事實上，確定“合適”的方法往往無法簡單敲定，畢竟影響決定的因素有很多，例如：

• 基本性能：包括輸入和輸出調(diào)節(jié)以及瞬態(tài)響應(yīng)
• 穩(wěn)健性：在某些情況下，有些方法對電應(yīng)力和熱應(yīng)力的耐受性更強
• 工作模式：包括連續(xù)電源、脈沖電源和高間歇性電源
• 超出電源額定功率的要求
• 解決方案成本
• 隔離需求
• 能效：詞雖簡短，含義頗深

幾乎所有工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器都需要進(jìn)行交流線路隔離，通常使用變壓器實現(xiàn)升壓/降壓，確保用戶安全和系統(tǒng)性能。不過，即便使用初級側(cè)變壓器，某些轉(zhuǎn)換器仍需要內(nèi)部輸入/輸出隔離（有時稱為浮動輸出），可用于轉(zhuǎn)換器運行、多個電源軌之間的電氣隔離或高壓軌自舉。輸入/輸出隔離可通過外加變壓器或光耦合器來實現(xiàn)。

能效要求決定了許多設(shè)計選擇

圍繞工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器的討論全都將能效作為首要關(guān)注點。電池供電設(shè)備的能效與運行時間密切相關(guān)，AC/DC 轉(zhuǎn)換器則有所不同，影響其能效的因素包括：

• 運行成本：許多工業(yè)應(yīng)用的功率要求可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千瓦，而且多數(shù)應(yīng)用都須全天候運行，這就顯得尤為重要。
• 散熱：由于空氣流通受限或缺乏主動式冷卻，許多設(shè)備的環(huán)境溫度可能很高。過熱會使元器件產(chǎn)生應(yīng)力，縮短故障間隔，需要更換停機(jī)時間并增加成本。電源轉(zhuǎn)換器能效低會加重環(huán)境熱負(fù)荷。
• 監(jiān)管問題：許多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定中的最低能效均由應(yīng)用、功率水平和區(qū)域決定。此外，這些標(biāo)準(zhǔn)還定義了允許的最小功率因數(shù)，因而電源轉(zhuǎn)換器和電源中可能需要添加功率因數(shù)校正 (PFC) 功能。

簡單的數(shù)學(xué)計算即可說明為何略微提高能效也至關(guān)重要且極富效用。試想一下，將電源轉(zhuǎn)換器能效由 65% 提高至 70%——看似只提高了 5 個百分點。從另一個角度來看：無功功率由 35% 降至 30%。改進(jìn)雖同樣是 5 個百分點，但是就無功功率而言，共降低了 5/35，即約 14%。因此，將能效由 65% 提高至 70%，可使無功功率降低約 14%，從而降低成本和熱負(fù)荷，避免可能需要的額外冷卻。這是一項顯著改進(jìn)，會直接反映在熱設(shè)計要求和運行成本中。

實現(xiàn)更高的能效

在 AC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，不存在所謂“魔彈式”能效提高法，設(shè)計人員費盡心機(jī)往往也只能略微提高能效。但是，通過幾種大小策略組合反而有效：

• 選擇合適的轉(zhuǎn)換器核心拓?fù)?，確定最適合該方法和功率水平的開關(guān)頻率；該頻率通常在 100 kHz 至 1 MHz 之間。
• 優(yōu)化電路：所有基本設(shè)計中都有許多細(xì)節(jié)會產(chǎn)生無功功率，電源設(shè)計人員已經(jīng)找到了相應(yīng)方法，在一定或很大程度上使其最小化；每個方面可能只有些許改進(jìn)，但積少成多。
• 使用本質(zhì)上有助于提高能效的有源和無源元件；對于功率器件 (MOSFET) 和某些二極管，則表示要改用基于 SiC 工藝技術(shù)的元器件。

憑借較小的導(dǎo)通電阻及其在高溫下的卓越性能，如今 SiC 已成為下一代低損耗開關(guān)和阻斷元件最可行的候選材料。相較于硅器件，SiC 器件具有眾多優(yōu)勢，因為后者具有更高的擊穿電壓及其他特性，包括：

• 臨界電場擊穿電壓更高，因而在給定的額定電壓下工作時漂移層更薄，大幅減小導(dǎo)通電阻。
• 導(dǎo)熱率更高，因而在橫截面上可以實現(xiàn)更高的電流密度。
• 帶隙更寬，因而高溫下的漏電流較小。因此，SiC 二極管和 FET 常稱為寬帶隙 (WBG) 器件。

作為與硅器件的粗略“數(shù)量級”比較，基于 SiC 的 MOSFET 器件阻斷電壓是前者的 10 倍，開關(guān)速度約是其 10 倍，25℃ 時的導(dǎo)通電阻只有其一半或更小。同時，工作溫度最高可達(dá) 200℃（硅器件為 125℃），因而使熱設(shè)計和熱管理得以簡化。

SiC 開關(guān)器件功率處理能力的一個實例是 ROHM Semiconductor 的 SCT3105KRC14，1200 V、24 A 的 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，RDS(on) 典型值為 105 mΩ。該器件具有良好的熱阻特性，相對于施加的脈沖寬度能夠迅速達(dá)到最大值（圖 3）。

圖 3：ROHM 的 SCT3105KRC14 1200 V、24 A 的 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，良好的熱特性即使在脈沖驅(qū)動下也能迅速達(dá)到平衡。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

分立式與集成式電源設(shè)計

功率水平較低時，一種做法是選擇整合了轉(zhuǎn)換器穩(wěn)壓器與相關(guān)功率開關(guān)器件的 IC。該做法的優(yōu)勢在于穩(wěn)壓器與功率器件的互連有助于優(yōu)化電路，而不可避免的寄生效應(yīng)特征也在規(guī)格書中有所描述。此外，如圖中 ROHM 的 BD9G341AEFJ-E2 所示，這款內(nèi)置 150 mΩ 功率 MOSFET 的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器最大限度地減少了對外部元器件的需求（圖 4）。

圖 4：ROHM 的 BD9G341AEFJ-E2 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器集成了 MOSFET 與控制器，實現(xiàn)了該解決方案幾乎所有特性，同時還將所需外部電路的數(shù)量和復(fù)雜性降至最低。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

這款小型 HTSOP-J8 器件尺寸為 4.9 × 6.0 × 1.0 mm，非常適合工業(yè)分布式電源應(yīng)用。該器件的輸入電壓范圍為 12 V 至 76 V，輸出電流可達(dá) 3 A。電流模式架構(gòu)提供了快速瞬態(tài)響應(yīng)和簡單的相位補償設(shè)置，開關(guān)頻率范圍為 50 kHz 至 750 kHz，支持用戶設(shè)置。

隨著功率水平（以及電壓和電流）提高，功率器件封裝的重要性隨之提升，單獨使用分立器件的難度也相應(yīng)增大。在這種情況下，兩個或多個功率器件的預(yù)封裝模塊是更受青睞的選擇。例如，ROHM 的 BSM300D12P2E001 是一款 1200 V、300 A 的半橋模塊，具有兩個 SiC 雙擴(kuò)散 MOSFET (DMOSFET) 和 SiC 肖特基勢壘二極管（圖 5）。

圖 5：ROHM 的 BSM300D12P2E001 模塊包含兩個相連的 SiC DMOSFET 和 SiC 肖特基勢壘二極管，從而簡化了常用半橋配置下 MOSFET 的匹配要求，并實現(xiàn)了相應(yīng)的性能。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

在單個模塊中整合 MOSFET 及其二極管可優(yōu)化整個組件的性能，該模塊尺寸約為 152 mm 長 × 62 mm 寬 × 17 mm 高，看似一塊細(xì)長的磚（圖 6）。此外，該模塊還包括獨立溫度傳感器（NTC 熱敏電阻），可監(jiān)控器件散熱情況，同時其結(jié)構(gòu)有助于熱管理——此電壓和電流組合下的重要考慮因素，因為該模塊可輕松實現(xiàn)器件與電路板或散熱器的物理連接，具備機(jī)械完整性并確保與電源線的穩(wěn)固連接。

圖 6：ROHM 的 BSM300D12P2E001 半橋模塊封裝減輕了接線、物理安裝和散熱方面的顧慮。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

驅(qū)動器對轉(zhuǎn)換器的有效運行至關(guān)重要

無論是基于硅還是 SiC 的 MOSFET 通斷，都必須慎重考慮諸多相關(guān)細(xì)節(jié)：柵極驅(qū)動電壓、電流、壓擺率、瞬態(tài)特性、過沖、輸入電容、電感以及許多其他靜態(tài)和動態(tài)因素。柵極驅(qū)動器可用于連接控制處理器輸出的相對簡單的低電平信號與開關(guān)器件的柵極輸入。這種特殊電源轉(zhuǎn)換器的輸出與功率器件的負(fù)載要求相對應(yīng)。

對于半橋或全橋等常用配置下的一對開關(guān)器件，驅(qū)動器模塊還須確保高端和低端器件不會同時導(dǎo)通，即使只是瞬間，因為這會導(dǎo)致電源軌接地。此外，在某些功率器件應(yīng)用中，功率器件路徑中單條或兩條都必須與系統(tǒng)地進(jìn)行電氣隔離，同時仍需為其提供相應(yīng)的性能。

為了滿足這些要求，一些功率器件供應(yīng)商推出了驅(qū)動器 IC，專用于其提供的某個或多個開關(guān)器件。例如，Tamura/ROHM 的 2DU180506MR02 半橋柵極驅(qū)動器 IC 的特性和功能與上述 ROHM 半橋模塊互補，可降低驅(qū)動該模塊的難度，并且添加了各種保護(hù)模式（圖 7）。

圖 7：Tamura/ROHM 的 2DU180506MR02 柵極驅(qū)動器 IC 旨在為控制處理器與 ROHM 的 BSM300D12P2E001 半橋模塊提供完整接口。（圖片來源：Tamura）

該柵極驅(qū)動器模塊封裝高度僅為 24 mm，安裝于 65 mm × 100 mm 的電路板上。該電路板的連接器可用于直流電源、處理器接口和電源模塊驅(qū)動器。此外，該柵極驅(qū)動器還提供至關(guān)重要的監(jiān)控功能，幾乎所有功率器件都有這方面的需求，尤其是面向大功率工業(yè)應(yīng)用的器件。這些功能包括過載保護(hù)、過熱保護(hù)（連接功率模塊的熱敏電阻）、欠壓鎖定和柵極驅(qū)動故障指示燈。

其他半橋柵極驅(qū)動器則更為通用。ROHM 的 BM60212FV 是一款 1200 V 高端和低端柵極驅(qū)動器 IC，適用于 N 溝道 MOSFET 和 IGBT（圖 8）。該器件使用無鐵芯變壓器來提供磁隔離，從而實現(xiàn)高端所需的電平轉(zhuǎn)換。但是，由于內(nèi)部其他功能并未隔離，因此仍歸類為非隔離式柵極驅(qū)動器。

圖 8：ROHM 的 BM60212FV 高端和低端柵極驅(qū)動器 IC 在高端驅(qū)動路徑的電平轉(zhuǎn)換電路中使用磁隔離；低端路徑未隔離。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

這款小型器件采用 SSOP-20W 封裝，尺寸為 6.5 × 8.1 × 2.0 mm，兼容 3 V 和 5 V 驅(qū)動信號，具有欠壓鎖定等功能。請注意，該 IC 通過了 AEC-Q100 認(rèn)證，即符合嚴(yán)苛的汽車可靠性標(biāo)準(zhǔn)。盡管“通過汽車級標(biāo)準(zhǔn)鑒定”而非“工業(yè)級”，但是一些設(shè)計人員更傾向于在 BOM 中指明通過了 AEC-Q100 認(rèn)證的器件，藉此強調(diào)其產(chǎn)品可靠性可滿足工業(yè)應(yīng)用的苛刻環(huán)境條件。這些環(huán)境條件包括電涌和 EMI/RFI、極端溫度的熱應(yīng)力以及熱循環(huán)和振動導(dǎo)致的機(jī)械故障。

電流測量

在許多電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，需要了解從輸出端流向負(fù)載的電流，而且這在幾乎所有工業(yè)應(yīng)用中都至關(guān)重要。在某些情況下，需要利用該電流值為轉(zhuǎn)換器提供反饋以實現(xiàn)閉環(huán)性能；在工業(yè)環(huán)境中，還需監(jiān)控負(fù)載以及電機(jī)失速或故障等情況。連續(xù)實時測量電流的一種方式是檢測負(fù)載串聯(lián)的電阻兩端的電壓。通常稱之為分流電阻器，但是在這種情況下該電阻器的作用并非如此。

從概念上說，這種電流測量方式只是單純應(yīng)用歐姆定律而已。然而，在大電流工業(yè)轉(zhuǎn)換器設(shè)備等實際應(yīng)用中，卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，設(shè)計人員必須確定適當(dāng)?shù)碾娮柚?。此時就需要進(jìn)行權(quán)衡：電阻器阻值較大則 IR 壓降更大，可藉此提高分辨率和抗噪性，但同時耗散功率也更大，以致降低負(fù)載的軌電壓，并且可能對控制器/負(fù)載回路的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

一般而言，開始時最好選用在最大電流下使其兩端電壓降約為 100 mV 的電阻值。經(jīng)數(shù)學(xué)計算可知，檢測電阻值僅為毫歐級，與其他電路功能中常用的數(shù)千歐甚至更大的阻值形成鮮明對比。

確定電阻值后，設(shè)計人員就必須選擇特定的物理元器件。鑒于電流值的大小，相較于大多數(shù)其他電阻器，檢測電阻器的額定功率必須相對較大。此外，不只是室溫下可提供高精度，而必須采用相應(yīng)的材料和制造技術(shù)以確保較小的電阻溫度系數(shù) (TCR)。TCR 較小時，即使環(huán)境溫度升高或因自熱引起的溫度升高，阻值也不會明顯變化。

ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 分流電阻器正是一個典型范例，充分展示了這類看似簡單的無源元件之復(fù)雜性。這款 4 W 金屬元器件的阻值僅為 500 μΩ（1 mΩ 的一半）±1%（圖 9）。

圖 9：ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 等電流檢測電阻器是精密無源元件，采用專用材料和技術(shù)制造，標(biāo)稱值僅為毫歐級且 TCR 非常小。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

PSR400ITQFF0L50 看起來只是一塊彎曲的金屬板，然而物亦不可貌相。這款 5.2 × 10 mm 的元器件由銅和金屬氫化物精心混合制成，TCR 僅為 ±175 ppm/℃。該系列的其他電流檢測電阻器中，TCR 較之更大或更小者均有。相比之下，常用低成本標(biāo)準(zhǔn)電阻器的 TCR 約為 ±2000 至 ±4000 ppm/℃，是這些超小阻值金屬板型大功率分流電阻器的十至二十倍。

在大電流下使用分流電阻器時，必須認(rèn)真考慮物理安裝、散熱以及電氣連接。對于毫歐級電阻器，開爾文連接所需的四線都必須具有極小的電阻。此外，還須具有物理連接端子，以便產(chǎn)生有效讀數(shù)且不受連接電阻影響。

總結(jié)

鑒于應(yīng)用環(huán)境的壓力，工業(yè)電源和轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員在實現(xiàn)性能、成本、空間和可靠性要求方面均面臨著一系列獨特的挑戰(zhàn)。功率水平較高時，還需要考慮能效、散熱和封裝。此外，柵極驅(qū)動器和電流檢測問題也需要解決。

在充分考慮應(yīng)用要求的情況下，上述工業(yè)電源核心構(gòu)件（包括分立器件、集成器件和模塊化功率器件）可輕松應(yīng)對工業(yè)級電源和轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)。

審核編輯：符乾江