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  云端互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、人工智能和加密貨幣相繼出現(xiàn)，促進(jìn)了全球數(shù)據(jù)中心處理能力的快速發(fā)展。此外，電力和房地產(chǎn)價(jià)格繼續(xù)上漲，這一趨勢(shì)迫切需要高效和緊湊的服務(wù)器電源。本文將解釋如何使用硅和寬禁帶(WBG)開(kāi)關(guān)以滿足電源設(shè)計(jì)的要求。

  為實(shí)現(xiàn)所需的高功率密度，必須考慮以下三個(gè)主要方面：

  ●提高效率，為了保持特定體積下的總功率損失在接受范圍之內(nèi)，從而推動(dòng)向新拓?fù)浜托录夹g(shù)過(guò)渡;其中的成功示例就是從采用硅 (Si)實(shí)現(xiàn)的 經(jīng)典升壓 PFC 到采用 GaN/SiC實(shí)現(xiàn)的 圖騰柱 PFC。

  ●改進(jìn)封裝和熱解決方案可將器件結(jié)點(diǎn)處熱能向散熱器和周?chē)h(huán)境耗散。小型 SMD 封裝是高密度轉(zhuǎn)換器的主要推動(dòng)因素，對(duì)其而言，這更具挑戰(zhàn)性。

  ●優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)頻率，在滿足效率要求或溫升限制下獲得最高的功率密度。進(jìn)而促使開(kāi)關(guān)頻率的提升，推動(dòng)從傳統(tǒng)封裝過(guò)渡至新型封裝和熱解決方案。

  ●通常情況下，最先進(jìn)的高效電源由圖騰柱無(wú)橋 PFC 級(jí)和 LLC 轉(zhuǎn)換器等諧振 DC-DC 級(jí)組成(見(jiàn)圖 1)。服務(wù)器電源的示例規(guī)格為 Vin = 180 V – 277 V，Vout = 48 V，Pout = 3 kW。

  圖1. 由圖騰柱 PFC 和 LLC DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成的服務(wù)器電源

  為量化效率與功率密度之間性能權(quán)衡，采用了帕累托最優(yōu)分析。該方法系統(tǒng)考慮不同轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的所有可用自由度。通過(guò)采用詳細(xì)的系統(tǒng)和組件模型，可確定位于帕累托前沿的最佳設(shè)計(jì)。該效率計(jì)算的基礎(chǔ)為 50% 額定輸出功率，包括 PFC 和 LLC 級(jí)損耗。

  計(jì)算整個(gè)服務(wù)器電源系統(tǒng)的帕累托前沿，優(yōu)化結(jié)果如圖 2 所示。該圖表明，對(duì)于中等功率密度 (~40 W/inch3 )，效率可接近 98.2%，而超過(guò) 80 W/inch3 的設(shè)計(jì)，效率則低于 97.5%。從該圖得出的另一重要結(jié)論為：LLC 級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率越高，所需功率密度設(shè)計(jì)也越高。這些結(jié)論證實(shí)了封裝在高頻工況下實(shí)現(xiàn)高效的必要性。

  圖2. 采用優(yōu)化 LLC 級(jí)頻率的整個(gè)服務(wù)器電源的優(yōu)化結(jié)果，展示效率與密度間的關(guān)系

  SMPS 拓?fù)渌?SMD 封裝

  英飛凌提供廣泛的底部散熱 (BSC) 和頂部散熱 (TSC) 封裝產(chǎn)品組合，可滿足高功率和高密度服務(wù)器 SMPS 應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。本節(jié)討論并對(duì)比了與裝配、熱性能和電氣寄生參數(shù)等主題相關(guān)的不同封裝。

  底部散熱和頂部散熱封裝的組裝實(shí)現(xiàn)

  底部散熱 (BSC)

  圖 3 和 4 所示為底部散熱和頂部散熱的主要散熱概念。在這兩種情況下，通常采用回流焊接工藝將 SMD 封裝安裝在 PCB 上。對(duì)于 BSC，主要熱量從封裝底部的器件散熱器(外露焊盤(pán))經(jīng) PCB 傳導(dǎo)至安裝在 PCB 另一側(cè)的外部散熱器。因此，使用基于 FR4 的 PCB 時(shí)，需要封裝下方穿過(guò) PCB 的散熱過(guò)孔來(lái)傳熱。在 PCB 背面，外部散熱器安裝在具有散熱過(guò)孔的區(qū)域。散熱器和 PCB 通過(guò)熱界面材料 (TIM) 實(shí)現(xiàn)電氣隔離。通常情況下，厚度為 100-500 μm 的箔片用作 TIM，在理想狀態(tài)下具有良好的熱導(dǎo)納 λ。理想情況下，這會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)具有低熱阻抗 Zthja。

  圖3.采用底部冷卻的示例解決方案

  PCB 具有一定厚度，受電路設(shè)計(jì)所需銅層數(shù)量和散熱過(guò)孔密度限制的影響。因此，與器件散熱器提供的傳熱面積相比，通過(guò) PCB 傳熱的有效截面積更小，這是第一個(gè)瓶頸。第二個(gè)瓶頸是 TIM，其熱導(dǎo)納比器件散熱器和外部散熱器低得多。

  在某些情況下，用絕緣金屬基板 (IMS) 替換基于 FR4 的基板，可在不超過(guò)器件或 PCB 最高溫度的情況下獲得更高的熱流量。特別是對(duì)于單層 PCB 設(shè)計(jì)，既不需要散熱過(guò)孔，也不需要額外 TIM。由于電路板的鋁基用作散熱器，因此無(wú)需外部散熱器。然而，盡管降低了 Zthja，但板上溫度循環(huán) (TCoB) 次數(shù)也減少了，特別是無(wú)引腳 SMD 封裝，比如無(wú)引腳 TO 封裝(TOLL)?或 ThinPAK，這是因?yàn)榛?FR4 的 PCB 非常柔軟，而基于 IMS 的 PCB 更為剛硬。

  頂部散熱(TSC)

  在 TSC 封裝中，封裝頂部的器件散熱器通過(guò) TIM 直接與外部散熱器相連(圖 4)。在這種情況下，沒(méi)有熱量通過(guò) PCB 和散熱過(guò)孔，因此，這部分熱阻不會(huì)體現(xiàn)在總熱阻中。因而可提高導(dǎo)熱性和封裝的最高功耗。

  此外，TSC 封裝的另一優(yōu)點(diǎn)是 PCB 對(duì)面的空閑區(qū)域可用于布置其他器件，例如柵極驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源元件，封裝體正下方還具有信號(hào)布線空間。

  為獲得良好熱接觸，在 TSC 器件上，建議將散熱器安裝在TSC器件上時(shí)施加一定的力。對(duì)于具有托腳高差為正的帶引腳 SMD 封裝(圖 5 左)，該力和其他溫度循環(huán)引起的力均被封裝引腳吸收，如果使用 QDPAK，TCoB 循環(huán)可達(dá) 2000 次，非常不錯(cuò)。

  對(duì)于托腳高差為負(fù)的封裝(圖 5 右)，為避免系統(tǒng)可靠性問(wèn)題，PCB 設(shè)計(jì)需要考慮其他因素，可能會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的工作量和復(fù)雜性。負(fù)托腳高差具有降低 Zthja 的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠浣档土朔庋b高度公差，進(jìn)而減小了 TIM 的厚度。然而，考慮 PCB 翹曲等其他公差時(shí)，特別是對(duì)于較大的 PCB 尺寸和多個(gè)功率器件共用散熱器的情況，負(fù)封裝托腳高差的熱優(yōu)勢(shì)不再那么重要。

  圖5.標(biāo)準(zhǔn)正封裝托腳本體高差(左)和負(fù)封裝托腳本體高差(右)。封裝體下方的銅焊盤(pán)有利于作為高度確定的機(jī)械支撐，對(duì)于負(fù)托腳本體高差，電路板可靠性非常高 。

  對(duì)于常用的散熱器方法，圖6顯示了設(shè)備和散熱器之間的示意性TIM在這種情況下，堆疊由絕緣箔和間隙填充物組成。間隙填充物用于補(bǔ)償器件、散熱器和散熱器。PCB與制造公差有關(guān)。僅使用間隙填充物進(jìn)行傳熱時(shí)，必須保證設(shè)備與外部散熱器之間的可靠絕緣。此外，間隙填充材料必須符合必要的穿透水平，PCB在安裝過(guò)程中，還應(yīng)避免孔隙和封閉顆粒進(jìn)入孔隙填充物。一般來(lái)說(shuō)，干凈的，干凈的。PCB裝配制造環(huán)境可降低系統(tǒng)制造過(guò)程中污染引起的系統(tǒng)異常風(fēng)險(xiǎn)。

  圖6.外部散熱器與器件之間的電隔離箔和間隙填充物

  為進(jìn)一步降低 TSC 的 Zthja 和動(dòng)態(tài)功耗，可選擇部署中間散熱片，如圖 7 所示。該附加散熱器的熱容量可在一定時(shí)間(幾秒鐘)內(nèi)儲(chǔ)存額外熱量，然后再傳導(dǎo)至公共散熱器和環(huán)境中。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，為改進(jìn)系統(tǒng) Zthja，也可取消公共散熱器和 TIM，其中，中間散熱片為主要散熱器，由風(fēng)扇氣流直接冷卻。

  圖7.單器件散熱片安裝 

  熱性能

  圖8顯示所選THD，BSCSMD和TSCSMD封裝的Zthja與時(shí)間相關(guān)的圖表，考慮基于時(shí)間FR4的PCB設(shè)計(jì)和強(qiáng)制風(fēng)冷。假設(shè)不同包裝中相同的芯片設(shè)備具有相同的功耗。基于此。FR4的PCB上比較?DDPAK(TSC封裝)與TO263(BSC封裝)，DDPAK的Zhtja 雖然這兩種包裝的有效排熱面積非常接近，但減少了60%。DDPAK避開(kāi)上節(jié)“排熱過(guò)孔”限制。圖圖還表明，頂部排熱封裝可實(shí)現(xiàn)埋孔裝置(THD)相當(dāng)?shù)腪thja 值。

  圖例表明，使用具有相當(dāng)高熱導(dǎo)納 (λ) 的薄層隔離材料是實(shí)現(xiàn)良好 Zthja 結(jié)果的關(guān)鍵。除此之外，使用具有更高 λ 的間隙填充物和隔離箔，將使所示 TSC 封裝的 Zthja 比 THD 更低。

  圖8.強(qiáng)制對(duì)流下多封裝的典型瞬態(tài)抗結(jié)-環(huán)境熱阻 (Zthja)

  高頻操作中的低寄生電感優(yōu)勢(shì)

  圖 9 所示為封裝源極電感 (LSc) 對(duì)“導(dǎo)通”瞬態(tài)的影響。LSc 從 0 增加至 4 nH。漏極電流 (di/dt) 升高導(dǎo)致 LscSc 上的感生壓降，柵極驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)減去該電壓值，從而降低柵極電流。因此，電壓瞬變時(shí)間延長(zhǎng)，損耗增加?！瓣P(guān)斷”瞬態(tài)的機(jī)制相同，但方式相反。

  圖9.封裝源極電感對(duì)開(kāi)關(guān)“導(dǎo)通”的影響示例：

  波形細(xì)節(jié)(左)和損耗(右)

  通過(guò)使用單獨(dú)的源極檢測(cè)引腳(開(kāi)爾文源極)來(lái)控制柵極(圖 10，右)，可消除上述 LSc 的負(fù)面影響，從而有效降低開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)使用源極檢測(cè)連接來(lái)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，LSc 位于柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路之外。因此，其感應(yīng)電壓峰值不會(huì)反饋到驅(qū)動(dòng)電路，這與僅有一個(gè)源極連接的標(biāo)準(zhǔn)配置(圖 10，左)不同。

  需特別關(guān)注的是，開(kāi)爾文源極引腳封裝解決了 LSc 對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)速度的負(fù)面影響。但是，LSc 仍會(huì)增加環(huán)路總電感，這是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用(例如帶有WBG 開(kāi)關(guān)的服務(wù)器 SMPS)產(chǎn)生振蕩。因此，即使采用開(kāi)爾文源極引腳封裝，封裝 LSc 也是越低越好。更多細(xì)節(jié)見(jiàn)參考應(yīng)用說(shuō)明 [7]。

  總結(jié)

  本文討論了功率半導(dǎo)體封裝在滿足服務(wù)器電源的功率和密度要求方面的重要性，特別是對(duì)于硅和寬禁帶 (WBG) 開(kāi)關(guān)器件。

  首先，簡(jiǎn)要介紹了服務(wù)器 SMPS 的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)，然后討論了 SMD 封裝的裝配實(shí)現(xiàn)、熱性能以及高頻操作中的低寄生電感優(yōu)勢(shì)。

  下表 1 總結(jié)了用于服務(wù)器 SMPS 中的英飛凌 SMD 封裝產(chǎn)品組合，并比較其主要參數(shù)。

  Table1 服務(wù)器應(yīng)用的 SMD BSC 和 TSC 封裝概覽。

  為評(píng)估封裝電感，假設(shè)封裝內(nèi)器件具有相近 RDS(ON)。

  英飛凌開(kāi)關(guān)電源(SMPS)設(shè)計(jì)解決方案可以滿足日益嚴(yán)格的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的需求。