為讓電子產品設計人員在最短時間內，完成新一代絕緣閘雙極電晶體（IGBT）元件特性評估作業，功率半導體業者研發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分析功能，更可協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，電子產品設計周期變得更短，加上各家廠商致力產品多元化設計，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，會使功率設計成本變高，因而被業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采用舊式或較低效率的零件，研發原有或經過認證的解決方案。但是，這種方法會為終端產品帶來一些問題，例如產品可能須采用一個尺寸相對較大和較昂貴的散熱器；如果采用現代的功率半導體技術的新型設計，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，在實際可行的時間內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，但沒有提及溫度環境或運作頻率。

　　圖1 網路產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。

　　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則顯示當創造一個用于家用電器等應用的小型馬達驅動時，這項網路工具可協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，超出規定接合溫度的元件。

　　值得注意的一點是，功耗和溫度數字都不是絕對的，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IGBT接合溫度進行系統效率的排序。

　　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。設計改版為指定表面黏著型DPAK封裝，而熱阻則設在40℃/W環境溫度，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和印刷電路板（PCB）可承受范圍以內。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），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 更改工具參數設定，可協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果。