加速线上工具的功率级设计，助力IGBT特性分析功能提升

为让电子产品设计人员在最短时间内，完成新一代绝缘闸双极电晶体（IGBT）元件特性评估作业，功率半导体业者研发出更精密的线上设计工具，不仅能提供温度和频率等重要应用参数分析功能，更可协助工程师挑选出最适合的解决方案，提升功率级设计效率。

　　近年，电子产品设计周期变得更短，加上各家厂商致力产品多元化设计，针对特定应用量身订做解决方案，导致设计小组须增加资源的分配与管理能力。这些与以往不同的设计要求，包括电气和热机方面的挑战，会使功率设计成本变高，因而被业界称之为劳力密集的实验室工作。

　　由于缺乏评估采用最新功率元件之全新设计的机会，设计人员也只好继续采用旧式或较低效率的零件，研发原有或经过认证的解决方案。但是，这种方法会为终端产品带来一些问题，例如产品可能须采用一个尺寸相对较大和较昂贵的散热器；如果采用现代的功率半导体技术的新型设计，就能顺利缩减散热器的尺寸，甚至可以完全省略。

　　也因此，近来工程师开始导入具有复杂散热性能和频率分析能力的最新线上设计工具，利用最新的功率半导体技术，在实际可行的时间内可精确评估其全新的功率级设计，并可缩小设计的尺寸和降低成本，并提升效率和可靠度。

　　线上设计工具给力　功率级开发快又灵活

　　线上设计工具有加速功率级设计的潜力，但是基本的网路零件选择器能提供的价值有限，图1显示一个典型的范例，其中列出各种主要参数，但没有提及温度环境或运作频率。

　　图1 网路产品选择器的典型范例，仅提供基于标准测试条件的相关元件参数。

　　有鉴于此，国际整流器（IR）推出新一代线上设计工具，提供温度和频率等重要的应用参数分析，这种功能改进带来极大价值。在早期版本中，背后的运算引擎按照一系列简单，但具有代表性的运作条件计算接合温度；而最新版本则缩小散热环境和元件本身之间的差异，并扩充功能，可让设计者掌握散热器和表面黏着零件的热阻。

　　图2~6则显示当创造一个用于家用电器等应用的小型马达驱动时，这项网路工具可协助评估几种选用的绝缘闸双极电晶体（IGBT）和设计方法。首先设计人员可将封装特性和电性运作条件输入到对应的表格中，包括对10微秒（μs）额定短路保护时间的客制化要求，并指定贴附在三相桥式上的一个简单散热器晶片，再输入12℃/W的热阻，线上设计工具将采用这些资料，计算在指定应用条件下的功率损耗，当温度限制等于最大的额定接合温度、低于图2中的降额输入，或可在低于预设接合温度下运作的零件才能成为备选零件。

　　图2 评估引擎采用输入表中的资料去除所有在指定的工作条件下，超出规定接合温度的元件。

　　值得注意的一点是，功耗和温度数字都不是绝对的，只可与备选零件进行对比。图3所示的四个IGBT就是能符合图2输入要求的IGBT，它们根据接合温度进行排序，当然也跟效率有密切关系。

　　图3 线上工具可根据IGBT接合温度进行系统效率的排序。

　　此外，线上设计工具还可用于探索替代的解决方案，例如不采用散热器的表面黏着技术。设计改版为指定表面黏着型DPAK封装，而热阻则设在40℃/W环境温度，换言之，设计采用4？6OZ覆铜薄板，孔在IGBT下方，而其他的运作条件则全部相同。

　　如图4所示，线上设计工具提供两个IGBT，功率耗散接近图3列出的IGBT，但封装和晶片尺寸都较小，所以其DPAK元件封装较便宜，惟接合温度可能稍高一些，但仍然保持在额定接合温度以内和印刷电路板（PCB）可承受范围以内。若将短路电流时间从10微秒减到5微秒（正好在典型电流感应IC的回应时间之内），更将有助于找到其他可符合这种应用需求，且成本更加合适的元件。

　　图4 更改工具参数设定，可协助工程师选出更便宜的元件。

　　图5显示工具中的两个IGBT与图4相同，再加上一个允许更低功率损耗和更低接合温度的全新IGBT，这个更高效率的IGBT是一种新型的沟槽式（Trench）元件（IRGR4045DPbF），而其他两个都采用平面（Planar）设计。

　　图5 新一代IGBT具有极低的运作温度，是达成功率级设计关键。

　　藉由最新版本的网路设计工具，设计人员可利用IGBT的性能比较，分析和了解更多IGBT的能力。勾选图5中每个型号左边栏位和点击「电流与频率对比图表」按钮后，即可制作出图6中的曲线图，依之前的数字显示，电流和频率是固定的。值得注意的是，在这一曲线图中，当温度有变动时，接合温度是固定的，至于电流就是最终的结果。

　　评估系统整体设计　线上工具找出性价平衡点

　　如图6所示，线上设计工具非常清楚整理出IGBT的传导特性，其中第一个方案可在低频率的情况下得到更多的电流，表现最优异；还有一点非常清楚的是，载流性能随着频率的增加而下降的速度变快，这也表示切换的损耗变高。熟练的设计人员都知道，快速的切换经常会导致电磁干扰（EMI）问题，并不会变成实质的优点，这种情况在马达驱动应用中尤其显著。

　　图6 透过电流与效率曲线可呈现IGBT导通和切换性能的关系，便于进行不同元件的比较。

　　图6中的表格也提供接合温度和功率损耗的指标数字，根据首个画面显示的输入，图6的座标是在由最大值降低25℃的接合温度下得出，第一个IGBT方案的额定温度为175℃，而其他产品的额定温度则为150℃，这也是该产品的曲线远高于其他两个IGBT的原因。

　　实际上，PCB的设计限制将妨碍范例中用于马达驱动的IGBT采更高额定温度，然而，如图5所示，新一代沟槽式IGBT在特定应用中具有最低的运作温度，这正是达成功率级设计最佳化的关键，设计师不仅可省去PCB上的孔并采用4OZ铜板，从而去除一些物料清单（BOM）成本，还可用元件选择器检测到功率耗损和温度造成的影响，将热阻从40℃/W提升到50℃/W，并对结果进行检测。

　　此范例显示出新版网路工具在协助设计人员评估其电源系统的整体性能，以及针对成本、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。

　　导入弹性演算功能　线上设计工具再升级

　　尽管功率级线上设计工具的功能已大幅提升，但仍有许多未来努力空间，特别是针对转换器导通周期和损耗提供更具代表性的计算方法。

　　在图6的机制中，在持续电流模式下，计算运作周期到一半时的功率损耗，在这种运作模式下，与IGBT封装在一起的二极体并不导电，但后补二极体会导电，功耗却没有在计算范围内。

　　由于二极体不导电，因此针对上面零件所计算出的接合温度，在形式上仍是正确的，但计算表格未能完整反应出实际应用的情况，因导通周期可能更高或更低，而功率耗损会相对产生变化。

　　为克服此一限制，国际整流器正投入开发应用专用工具，让设计人员可考虑在设计中加入大量额外的因素，例如不同调变策略的影响，以及马达驱动器中的IGBT在马达电流周期的一半就导电，而在周期的另一半则为其中的二极体导电。专门为马达驱动设计的工具即可充分考虑所有这些因素，同时不会忽略环境温度，它将根据使用者所输入的调变指数和功率因数来计算导通周期。

　　由于热量不会以线性方式从一个点流向另一个点，而是根据热的差异，朝向不同的方向流动，因此不能根据热阻数量正确定义出散热环境的特性；因应此一特性，设计工具也须进一步改良，根据散热器或接合温度等资料，提供三维（3D）温度分布方案。

　　目前市面上已有针对汽车等特定应用领域开发的有限元分析（FEA）引擎工具，可精确模拟热环境，而未来的挑战则在于如何建置一套适合各种应用的散热器模型，故线上设计工具的功能演进方向可望朝模型标准化发展，使其更适用于一般系统设计。

　　整体而言，新一代沟槽式IGBT等功率半导体技术，虽可缩减系统尺寸和成本，同时提高效率和增强可靠性，但时间压力会让设计人员无法探索新的机会，甚至会让旧式设计一再应用，结果会使终端产品未能达到最高性能。

　　对此，新一代线上设计工具在加速功率级设计方面将非常有效率，并可协助设计人员在新产品设计中发挥最新技术的优势。