【導讀】云端互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、人工智能和加密貨幣相繼出現(xiàn)，推動全球數(shù)據(jù)中心處理能力迅速發(fā)展。此外，電力和房地產(chǎn)價格持續(xù)攀升，這一趨勢迫切需要高效緊湊的服務(wù)器電源。本文將闡述如何使用硅和寬禁帶 (WBG) 開關(guān)來滿足電源設(shè)計要求。
為實現(xiàn)所需的高功率密度，必須考慮以下三個主要方面：
● 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)，從而推動向新拓撲和新技術(shù)過渡；其中的成功示例就是從采用硅 (Si)實現(xiàn)的 經(jīng)典升壓 PFC 到采用 GaN/SiC實現(xiàn)的 圖騰柱 PFC。
● 改進封裝和熱解決方案可將器件結(jié)點處熱能向散熱器和周圍環(huán)境耗散。小型 SMD 封裝是高密度轉(zhuǎn)換器的主要推動因素，對其而言，這更具挑戰(zhàn)性。
● 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和開關(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。進而促使開關(guān)頻率的提升，推動從傳統(tǒng)封裝過渡至新型封裝和熱解決方案。
通常情況下，最先進的高效電源由圖騰柱無橋 PFC 級和 LLC 轉(zhuǎn)換器等諧振 DC-DC 級組成（見圖 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)計中的所有可用自由度。通過采用詳細的系統(tǒng)和組件模型，可確定位于帕累托前沿的最佳設(shè)計。該效率計算的基礎(chǔ)為 50% 額定輸出功率，包括 PFC 和 LLC 級損耗。
計算整個服務(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，對于中等功率密度 (~40 W/inch3 )，效率可接近 98.2%，而超過 80 W/inch3 的設(shè)計，效率則低于 97.5%。從該圖得出的另一重要結(jié)論為：LLC 級的開關(guān)頻率越高，所需功率密度設(shè)計也越高。這些結(jié)論證實了封裝在高頻工況下實現(xiàn)高效的必要性。
圖2. 采用優(yōu)化 LLC 級頻率的整個服務(wù)器電源的優(yōu)化結(jié)果，展示效率與密度間的關(guān)系
SMPS 拓撲所用 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。本節(jié)討論并對比了與裝配、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。對于 BSC，主要熱量從封裝底部的器件散熱器（外露焊盤）經(jīng) PCB 傳導至安裝在 PCB 另一側(cè)的外部散熱器。因此，使用基于 FR4 的 PCB 時，需要封裝下方穿過 PCB 的散熱過孔來傳熱。在 PCB 背面，外部散熱器安裝在具有散熱過孔的區(qū)域。散熱器和 PCB 通過熱界面材料 (TIM) 實現(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)下具有良好的熱導納 λ。理想情況下，這會使整個系統(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)計所需銅層數(shù)量和散熱過孔密度限制的影響。因此，與器件散熱器提供的傳熱面積相比，通過 PCB 傳熱的有效截面積更小，這是第一個瓶頸。第二個瓶頸是 TIM，其熱導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，可在不超過器件或 PCB 最高溫度的情況下獲得更高的熱流量。特別是對于單層 PCB 設(shè)計，既不需要散熱過孔，也不需要額外 TIM。由于電路板的鋁基用作散熱器，因此無需外部散熱器。然而，盡管降低了 Zthja，但板上溫度循環(huán) (TCoB) 次數(shù)也減少了，特別是無引腳 SMD 封裝，比如無引腳 TO 封裝(TOLL) 或 ThinPAK，這是因為基于 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 TIM 直接與外部散熱器相連（圖 4）。在這種情況下，沒有熱量通過 PCB 和散熱過孔，因此，這部分熱阻不會體現(xiàn)在總熱阻中。因而可提高導熱性和封裝的最高功耗。
此外，TSC 封裝的另一優(yōu)點是 PCB 對面的空閑區(qū)域可用于布置其他器件，例如柵極驅(qū)動器和無源元件，封裝體正下方還具有信號布線空間。
圖4.采用頂部冷卻的示例解決方案
為獲得良好熱接觸，在 TSC 器件上，建議將散熱器安裝在TSC器件上時施加一定的力。對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[6]，TCoB 循環(huán)可達 2000 次，非常不錯。
對于托腳高差為負的封裝（圖 5 右），為避免系統(tǒng)可靠性問題，PCB 設(shè)計需要考慮其他因素，可能會增加系統(tǒng)設(shè)計和制造的工作量和復雜性。負托腳高差具有降低 Zthja 的優(yōu)勢，因為其降低了封裝高度公差，進而減小了 TIM 的厚度。然而，考慮 PCB 翹曲等其他公差時，特別是對于較大的 PCB 尺寸和多個功率器件共用散熱器的情況，負封裝托腳高差的熱優(yōu)勢不再那么重要。
圖5.標準正封裝托腳本體高差（左）和負封裝托腳本體高差（右）。封裝體下方的銅焊盤有利于作為高度確定的機械支撐，對于負托腳本體高差，電路板可靠性非常高 [2]
對于常見散熱器方法，圖 6 示意性顯示了器件和散熱器之間的 TIM 堆疊，在本例中由絕緣箔和間隙填充物組成。間隙填充物用于補償器件、散熱器和 PCB 的相關(guān)制造公差。僅使用間隙填充物進行傳熱時，必須確保器件與外部散熱器之間的可靠絕緣。此外，間隙填充材料必須滿足必要擊穿等級，PCB 裝配過程中，還需防止氣孔和封閉顆粒進入間隙填充物。一般而言，潔凈的 PCB 組裝制造環(huán)境可降低系統(tǒng)制造過程中因污染而導致的系統(tǒng)故障風險。
圖6.外部散熱器與器件之間的電隔離箔和間隙填充物
為進一步降低 TSC 的 Zthja 和動態(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間（幾秒鐘）內(nèi)儲存額外熱量，然后再傳導至公共散熱器和環(huán)境中。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的不同，為改進系統(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，由風扇氣流直接冷卻。
圖7.單器件散熱片安裝 [6]
熱性能
圖 8 顯示了所選 THD、BSC SMD 和 TSC SMD 封裝的 Zthja 時間相關(guān)圖表，考慮了基于 FR4 的 PCB 設(shè)計和強制風冷。假設(shè)不同封裝內(nèi)的相同一芯片器件具有的功耗相同。在基于 FR4 的 PCB 上比較 DDPAK（TSC 封裝）與 TO263（BSC 封裝），DDPAK 的 Zhtja 降低了 60%，盡管這兩種封裝的有效散熱面積非常接近。DDPAK 避開了上節(jié)所述“散熱過孔”限制。該圖還表明，頂部散熱封裝能夠?qū)崿F(xiàn)與通孔器件 (THD) 相當?shù)?Zthja 值。
圖例表明，使用具有相當高熱導納 (λ) 的薄層隔離材料是實現(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.強制對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。
圖 9 所示為封裝源極電感 (LSc) 對“導通”瞬態(tài)的影響。LSc 從 0 增加至 4 nH。漏極電流 (di/dt) 升高導致 LscSc 上的感生壓降，柵極驅(qū)動電壓會減去該電壓值，從而降低柵極電流。因此，電壓瞬變時間延長，損耗增加。“關(guān)斷”瞬態(tài)的機制相同，但方式相反。
圖9.封裝源極電感對開關(guān)“導通”的影響示例：波形細節(jié)（左）和損耗（右）
通過使用單獨的源極檢測引腳（開爾文源極）來控制柵極（圖 10，右），可消除上述 LSc 的負面影響，從而有效降低開關(guān)損耗。通過使用源極檢測連接來驅(qū)動柵極，LSc 位于柵極驅(qū)動環(huán)路之外。因此，其感應(yīng)電壓峰值不會反饋到驅(qū)動電路，這與僅有一個源極連接的標準配置（圖 10，左）不同。
需特別關(guān)注的是，開爾文源極引腳封裝解決了 LSc 對柵極驅(qū)動和開關(guān)速度的負面影響。但是，LSc 仍會增加環(huán)路總電感，這是一個關(guān)鍵參數(shù)，會導致快速開關(guān)應(yīng)用（例如帶有WBG 開關(guān)的服務(wù)器 SMPS）產(chǎn)生振蕩。因此，即使采用開爾文源極引腳封裝，封裝 LSc 也是越低越好。更多細節(jié)見參考應(yīng)用說明 [7]。
圖10.標準 3 端封裝（左）和采用開爾文源極的 4 端封裝（右）的柵極驅(qū)動環(huán)路比較
總結(jié)
本文討論了功率半導體封裝在滿足服務(wù)器電源的功率和密度要求方面的重要性，特別是對于硅和寬禁帶 (WBG) 開關(guān)器件。
首先，簡要介紹了服務(wù)器 SMPS 的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，然后討論了 SMD 封裝的裝配實現(xiàn)、熱性能以及高頻操作中的低寄生電感優(yōu)勢。
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。
為評估封裝電感，假設(shè)封裝內(nèi)器件具有相近 RDS(ON)。
英飛凌開關(guān)電源 (SMPS) 設(shè)計解決方案可滿足日益嚴苛的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心需求，如需了解更多信息，請單擊此處。此外，還可了解我們的全系列創(chuàng)新電源技術(shù)（Si、SiC 和 GaN）。
參考資料
1. S. Preimel，“600 V CoolMOS? G7 和 650 V CoolSiC? G6 采用新型頂部散熱封裝 – DDPAK”，應(yīng)用說明，AN_1802_PL52_1803，2018 年
2. 英飛凌科技，“英飛凌雙排歐翼式引腳封裝的電路板組裝建議”，Rev. 5.0，2020 年
3. 英飛凌科技，“頂部散熱型帶引腳 TO (TOLT) 封裝汽車功率 MOSFET”，應(yīng)用說明 v1.1，Z8F80044621，2021 年
4. 英飛凌科技，“TOLL 與 TOLT”，應(yīng)用說明，Z8F80127016，2022 年
5. 英飛凌科技，“適用于高壓應(yīng)用的創(chuàng)新頂部散熱封裝解決方案”，應(yīng)用說明 v1.0，AN_2101_PL52_2103_112902，2021 年
6. S. Preimel，“600 V CoolMOS CFD7 采用新型頂部散熱封裝 – QDPAK”。應(yīng)用說明，AN_1802_PL52_1803_120439，2018 年
7. B. Zojer，“CoolMOS? 柵極驅(qū)動器和開關(guān)動態(tài)”，應(yīng)用說明 v1.0，AN_1909_PL52_1911_173913，2020 年
作者：
Daniel H?lzl，英飛凌科技封裝概念工程師
Sam Abdel-Rahman，英飛凌科技系統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心 SMPS
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