加速線上工具的功率級設計，助力IGBT特性分析功能提升 - 全文

　　為讓電子產(chǎn)品設計人員在最短時間內(nèi)，完成新一代絕緣閘雙極電晶體（IGBT）元件特性評估作業(yè)，功率半導體業(yè)者研發(fā)出更精密的線上設計工具，不僅能提供溫度和頻率等重要應用參數(shù)分析功能，更可協(xié)助工程師挑選出最適合的解決方案，提升功率級設計效率。

　　近年，電子產(chǎn)品設計周期變得更短，加上各家廠商致力產(chǎn)品多元化設計，針對特定應用量身訂做解決方案，導致設計小組須增加資源的分配與管理能力。這些與以往不同的設計要求，包括電氣和熱機方面的挑戰(zhàn)，會使功率設計成本變高，因而被業(yè)界稱之為勞力密集的實驗室工作。

　　由于缺乏評估采用最新功率元件之全新設計的機會，設計人員也只好繼續(xù)采用舊式或較低效率的零件，研發(fā)原有或經(jīng)過認證的解決方案。但是，這種方法會為終端產(chǎn)品帶來一些問題，例如產(chǎn)品可能須采用一個尺寸相對較大和較昂貴的散熱器；如果采用現(xiàn)代的功率半導體技術(shù)的新型設計，就能順利縮減散熱器的尺寸，甚至可以完全省略。

　　也因此，近來工程師開始導入具有復雜散熱性能和頻率分析能力的最新線上設計工具，利用最新的功率半導體技術(shù)，在實際可行的時間內(nèi)可精確評估其全新的功率級設計，并可縮小設計的尺寸和降低成本，并提升效率和可靠度。

　　線上設計工具給力　功率級開發(fā)快又靈活

　　線上設計工具有加速功率級設計的潛力，但是基本的網(wǎng)路零件選擇器能提供的價值有限，圖1顯示一個典型的范例，其中列出各種主要參數(shù)，但沒有提及溫度環(huán)境或運作頻率。

　　圖1 網(wǎng)路產(chǎn)品選擇器的典型范例，僅提供基于標準測試條件的相關元件參數(shù)。

　　有鑒于此，國際整流器（IR）推出新一代線上設計工具，提供溫度和頻率等重要的應用參數(shù)分析，這種功能改進帶來極大價值。在早期版本中，背后的運算引擎按照一系列簡單，但具有代表性的運作條件計算接合溫度；而最新版本則縮小散熱環(huán)境和元件本身之間的差異，并擴充功能，可讓設計者掌握散熱器和表面黏著零件的熱阻。

　　圖2~6則顯示當創(chuàng)造一個用于家用電器等應用的小型馬達驅(qū)動時，這項網(wǎng)路工具可協(xié)助評估幾種選用的絕緣閘雙極電晶體（IGBT）和設計方法。首先設計人員可將封裝特性和電性運作條件輸入到對應的表格中，包括對10微秒（μs）額定短路保護時間的客制化要求，并指定貼附在三相橋式上的一個簡單散熱器晶片，再輸入12℃/W的熱阻，線上設計工具將采用這些資料，計算在指定應用條件下的功率損耗，當溫度限制等于最大的額定接合溫度、低于圖2中的降額輸入，或可在低于預設接合溫度下運作的零件才能成為備選零件。

　　圖2 評估引擎采用輸入表中的資料去除所有在指定的工作條件下，超出規(guī)定接合溫度的元件。

　　值得注意的一點是，功耗和溫度數(shù)字都不是絕對的，只可與備選零件進行對比。圖3所示的四個IGBT就是能符合圖2輸入要求的IGBT，它們根據(jù)接合溫度進行排序，當然也跟效率有密切關系。

　　圖3 線上工具可根據(jù)IGBT接合溫度進行系統(tǒng)效率的排序。

　　此外，線上設計工具還可用于探索替代的解決方案，例如不采用散熱器的表面黏著技術(shù)。設計改版為指定表面黏著型DPAK封裝，而熱阻則設在40℃/W環(huán)境溫度，換言之，設計采用4？6OZ覆銅薄板，孔在IGBT下方，而其他的運作條件則全部相同。

　　如圖4所示，線上設計工具提供兩個IGBT，功率耗散接近圖3列出的IGBT，但封裝和晶片尺寸都較小，所以其DPAK元件封裝較便宜，惟接合溫度可能稍高一些，但仍然保持在額定接合溫度以內(nèi)和印刷電路板（PCB）可承受范圍以內(nèi)。若將短路電流時間從10微秒減到5微秒（正好在典型電流感應IC的回應時間之內(nèi)），更將有助于找到其他可符合這種應用需求，且成本更加合適的元件。

　　圖4 更改工具參數(shù)設定，可協(xié)助工程師選出更便宜的元件。

　　圖5顯示工具中的兩個IGBT與圖4相同，再加上一個允許更低功率損耗和更低接合溫度的全新IGBT，這個更高效率的IGBT是一種新型的溝槽式（Trench）元件（IRGR4045DPbF），而其他兩個都采用平面（Planar）設計。

　　圖5 新一代IGBT具有極低的運作溫度，是達成功率級設計關鍵。

　　藉由最新版本的網(wǎng)路設計工具，設計人員可利用IGBT的性能比較，分析和了解更多IGBT的能力。勾選圖5中每個型號左邊欄位和點擊「電流與頻率對比圖表」按鈕后，即可制作出圖6中的曲線圖，依之前的數(shù)字顯示，電流和頻率是固定的。值得注意的是，在這一曲線圖中，當溫度有變動時，接合溫度是固定的，至于電流就是最終的結(jié)果。

　　評估系統(tǒng)整體設計　線上工具找出性價平衡點

　　如圖6所示，線上設計工具非常清楚整理出IGBT的傳導特性，其中第一個方案可在低頻率的情況下得到更多的電流，表現(xiàn)最優(yōu)異；還有一點非常清楚的是，載流性能隨著頻率的增加而下降的速度變快，這也表示切換的損耗變高。熟練的設計人員都知道，快速的切換經(jīng)常會導致電磁干擾（EMI）問題，并不會變成實質(zhì)的優(yōu)點，這種情況在馬達驅(qū)動應用中尤其顯著。

　　圖6 透過電流與效率曲線可呈現(xiàn)IGBT導通和切換性能的關系，便于進行不同元件的比較。

　　圖6中的表格也提供接合溫度和功率損耗的指標數(shù)字，根據(jù)首個畫面顯示的輸入，圖6的座標是在由最大值降低25℃的接合溫度下得出，第一個IGBT方案的額定溫度為175℃，而其他產(chǎn)品的額定溫度則為150℃，這也是該產(chǎn)品的曲線遠高于其他兩個IGBT的原因。

　　實際上，PCB的設計限制將妨礙范例中用于馬達驅(qū)動的IGBT采更高額定溫度，然而，如圖5所示，新一代溝槽式IGBT在特定應用中具有最低的運作溫度，這正是達成功率級設計最佳化的關鍵，設計師不僅可省去PCB上的孔并采用4OZ銅板，從而去除一些物料清單（BOM）成本，還可用元件選擇器檢測到功率耗損和溫度造成的影響，將熱阻從40℃/W提升到50℃/W，并對結(jié)果進行檢測。

　　此范例顯示出新版網(wǎng)路工具在協(xié)助設計人員評估其電源系統(tǒng)的整體性能，以及針對成本、效率和可靠度最佳化方面，都比以往的版本更可靠、更有效率。

　　導入彈性演算功能　線上設計工具再升級

　　盡管功率級線上設計工具的功能已大幅提升，但仍有許多未來努力空間，特別是針對轉(zhuǎn)換器導通周期和損耗提供更具代表性的計算方法。

　　在圖6的機制中，在持續(xù)電流模式下，計算運作周期到一半時的功率損耗，在這種運作模式下，與IGBT封裝在一起的二極體并不導電，但后補二極體會導電，功耗卻沒有在計算范圍內(nèi)。

　　由于二極體不導電，因此針對上面零件所計算出的接合溫度，在形式上仍是正確的，但計算表格未能完整反應出實際應用的情況，因?qū)ㄖ芷诳赡芨呋蚋停β屎膿p會相對產(chǎn)生變化。

　　為克服此一限制，國際整流器正投入開發(fā)應用專用工具，讓設計人員可考慮在設計中加入大量額外的因素，例如不同調(diào)變策略的影響，以及馬達驅(qū)動器中的IGBT在馬達電流周期的一半就導電，而在周期的另一半則為其中的二極體導電。專門為馬達驅(qū)動設計的工具即可充分考慮所有這些因素，同時不會忽略環(huán)境溫度，它將根據(jù)使用者所輸入的調(diào)變指數(shù)和功率因數(shù)來計算導通周期。

　　由于熱量不會以線性方式從一個點流向另一個點，而是根據(jù)熱的差異，朝向不同的方向流動，因此不能根據(jù)熱阻數(shù)量正確定義出散熱環(huán)境的特性；因應此一特性，設計工具也須進一步改良，根據(jù)散熱器或接合溫度等資料，提供三維（3D）溫度分布方案。

　　目前市面上已有針對汽車等特定應用領域開發(fā)的有限元分析（FEA）引擎工具，可精確模擬熱環(huán)境，而未來的挑戰(zhàn)則在于如何建置一套適合各種應用的散熱器模型，故線上設計工具的功能演進方向可望朝模型標準化發(fā)展，使其更適用于一般系統(tǒng)設計。

　　整體而言，新一代溝槽式IGBT等功率半導體技術(shù)，雖可縮減系統(tǒng)尺寸和成本，同時提高效率和增強可靠性，但時間壓力會讓設計人員無法探索新的機會，甚至會讓舊式設計一再應用，結(jié)果會使終端產(chǎn)品未能達到最高性能。

　　對此，新一代線上設計工具在加速功率級設計方面將非常有效率，并可協(xié)助設計人員在新產(chǎn)品設計中發(fā)揮最新技術(shù)的優(yōu)勢。