為讓電子產(chǎn)品設(shè)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(dǎo)體業(yè)者研發(fā)出更精密的線上設(shè)計工具，不僅能提供溫度和頻率等重要應(yīng)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(shè)計效率。

　　近年，電子產(chǎn)品設(shè)計周期變得更短，加上各家廠商致力產(chǎn)品多元化設(shè)計，針對特定應(yīng)用量身訂做解決方案，導(dǎo)致設(shè)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(shè)計要求，包括電氣和熱機(jī)方面的挑戰(zhàn)，會使功率設(shè)計成本變高，因而被業(yè)界稱之為勞力密集的實(shí)驗(yàn)室工作。

　　由于缺乏評估采用最新功率元件之全新設(shè)計的機(jī)會，設(shè)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(rèn)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(dǎo)體技術(shù)的新型設(shè)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(dǎo)入具有復(fù)雜散熱性能和頻率分析能力的最新線上設(shè)計工具，利用最新的功率半導(dǎo)體技術(shù)，在實(shí)際可行的時間內(nèi)可精確評估其全新的功率級設(shè)計，并可縮小設(shè)計的尺寸和降低成本，并提升效率和可靠度。

　　線上設(shè)計工具給力　功率級開發(fā)快又靈活

　　線上設(shè)計工具有加速功率級設(shè)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)測試條件的相關(guān)元件參數(shù)。

　　有鑒于此，國際整流器（IR）推出新一代線上設(shè)計工具，提供溫度和頻率等重要的應(yīng)用參數(shù)分析，這種功能改進(jìn)帶來極大價值。在早期版本中，背后的運(yùn)算引擎按照一系列簡單，但具有代表性的運(yùn)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(kuò)充功能，可讓設(shè)計者掌握散熱器和表面黏著零件的熱阻。

　　圖2~6則顯示當(dāng)創(chuàng)造一個用于家用電器等應(yīng)用的小型馬達(dá)驅(qū)動時，這項(xiàng)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(shè)計方法。首先設(shè)計人員可將封裝特性和電性運(yùn)作條件輸入到對應(yīng)的表格中，包括對10微秒（μs）額定短路保護(hù)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(shè)計工具將采用這些資料，計算在指定應(yīng)用條件下的功率損耗，當(dāng)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(yù)設(shè)接合溫度下運(yùn)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(diǎn)是，功耗和溫度數(shù)字都不是絕對的，只可與備選零件進(jìn)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(jìn)行排序，當(dāng)然也跟效率有密切關(guān)系。

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

　　此外，線上設(shè)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(shè)計改版為指定表面黏著型DPAK封裝，而熱阻則設(shè)在40℃/W環(huán)境溫度，換言之，設(shè)計采用4？6OZ覆銅薄板，孔在IGBT下方，而其他的運(yùn)作條件則全部相同。

　　如圖4所示，線上設(shè)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(yīng)IC的回應(yīng)時間之內(nèi)），更將有助于找到其他可符合這種應(yīng)用需求，且成本更加合適的元件。

　　圖4 更改工具參數(shù)設(shè)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(shè)計。

　　圖5 新一代IGBT具有極低的運(yùn)作溫度，是達(dá)成功率級設(shè)計關(guān)鍵。

　　藉由最新版本的網(wǎng)路設(shè)計工具，設(shè)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(diǎn)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(dāng)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(shè)計　線上工具找出性價平衡點(diǎn)

　　如圖6所示，線上設(shè)計工具非常清楚整理出IGBT的傳導(dǎo)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(diǎn)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(shè)計人員都知道，快速的切換經(jīng)常會導(dǎo)致電磁干擾（EMI）問題，并不會變成實(shí)質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，這種情況在馬達(dá)驅(qū)動應(yīng)用中尤其顯著。

　　圖6 透過電流與效率曲線可呈現(xiàn)IGBT導(dǎo)通和切換性能的關(guān)系，便于進(jìn)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(biāo)數(shù)字，根據(jù)首個畫面顯示的輸入，圖6的座標(biāo)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(yuǎn)高于其他兩個IGBT的原因。

　　實(shí)際上，PCB的設(shè)計限制將妨礙范例中用于馬達(dá)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(yīng)用中具有最低的運(yùn)作溫度，這正是達(dá)成功率級設(shè)計最佳化的關(guān)鍵，設(shè)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(jìn)行檢測。

　　此范例顯示出新版網(wǎng)路工具在協(xié)助設(shè)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(dǎo)入彈性演算功能　線上設(shè)計工具再升級

　　盡管功率級線上設(shè)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(dǎo)通周期和損耗提供更具代表性的計算方法。

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

　　由于二極體不導(dǎo)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(yīng)出實(shí)際應(yīng)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(yīng)用專用工具，讓設(shè)計人員可考慮在設(shè)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(dá)驅(qū)動器中的IGBT在馬達(dá)電流周期的一半就導(dǎo)電，而在周期的另一半則為其中的二極體導(dǎo)電。專門為馬達(dá)驅(qū)動設(shè)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(dǎo)通周期。

　　由于熱量不會以線性方式從一個點(diǎn)流向另一個點(diǎn)，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(yīng)此一特性，設(shè)計工具也須進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用的散熱器模型，故線上設(shè)計工具的功能演進(jìn)方向可望朝模型標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，使其更適用于一般系統(tǒng)設(shè)計。

　　整體而言，新一代溝槽式IGBT等功率半導(dǎo)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(qiáng)可靠性，但時間壓力會讓設(shè)計人員無法探索新的機(jī)會，甚至?xí)屌f式設(shè)計一再應(yīng)用，結(jié)果會使終端產(chǎn)品未能達(dá)到最高性能。

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