功率半导体器件带来品质和可靠性

2009年09月02日17:22:58 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：Qspeed Semiconductor技术营销经理John Jovalusky

21世纪，现代便利生活都是以电子为基础的，自从电子设备中晶体管开始取代真空电子管以来，七个市场趋势就开始涌现，至今，它们仍然一直是支配电子行业的规律。本文将纵观这七个市场趋势，探讨性能更好的功率半导体是怎样直接使这些趋势得以持续进步的。效率越来越高的电源转换器和电源控制芯片正被设计出来，根本上是为了抵消世界范围内呈指数增长的能源需求，并且保证本地区乃至世界经济的可持续增长，而这又是建立在电子设备的制造和应用基础上的。今天我们控制的这个世界，明天我们的后代将会继承它。我们移交给后代时这个世界是什么样将取决于我们今天的选择和执行效果，特别是在以加速度增长的能耗领域。

前两个市场趋势

20世纪50年代，晶体管被大量生产并用于商业领域。它们慢慢地取代之前的低效率高能耗而且体积还很庞大的真空电子管，因为真空电子管需要高电压和高温阴极才能工作，而晶体管不需要，所以，采用晶体管的电子产品将会比采用真空电子管的电子产品更小更轻。新的晶体管的出现首先使得收音机领域的革新成为可能。接着，七个新市场趋势之中的前两个就从半导体商业化中体现出来：更小和更轻。早期的晶体管和二极管是用锗制造的，所以总是有品质和可靠性问题。这导致下一个市场趋势没有成为一个驱动力量——直到半导体工业选择硅为原材料，并且用硅生产的新器件稍微成熟一点。只有在那个时候，电子产品小型化轻便化的优势才得以体现，这样下一个市场趋势才得以从地平线上升起。

图1. 真空电子管（左）与照晶体管（右）。

接下来的三个市场趋势

像白炽灯一样，真空电子管的灯丝会断，而采用硅制造的半导体可靠性好的多。这时晶体管的可靠性优势才显示出来。然而，直到航空航天工业采用晶体管后，高可靠性才在这场电子工业革命中成为第三个市场趋势。电子线路必须更小更轻才能满主航空航天应用的需求，这是因为有更多的器件被放进极小的空间，并输入更大的功率，用以实现更多的功能。这也催生了七大市场趋势中的第四第五个：高功率密度和高集成度（更复杂，外观更丰富，功能更多）。

较后两个市场趋势

1971年Intel开发出第一个微处理器。直到1975年它才被商业化。同年第一台个人PC机诞生。一开始，主要是工程师购买使用这种新兴PC，这是因为它较难编程和操作。但是，随着这种新机器巨大的潜能开始被意识到，较后两个市场趋势便涌现出来：易用和低价。随着集成电路（IC）制造技术和工艺的提升和日臻完善，以及微处理器产量增加，它们的生产成本降低了。随着PC机的加速普及，半导体设计者非常强烈地要使他们的IC容易设计进电脑以便能够在快速增长的PC领域增加销售量。为了使没有技术背景的人们更容易使用电脑，新的软件工业也在“易用”这个市场趋势中被催生。因为人们喜欢功能丰富的，体积小的，重量轻的，可靠性好的，容易使用的电子产品，所以无一例外的，任何包含电子线路的新产品都比它的上一代更小更轻，更可靠，功率密度更大，集成度更高，功能更丰富，价格更便宜。这七个市场趋势在今天依然存在，而且近期不会有止境。

图2. 古老的晶体管收音机（1950）对照现代手机（2007）。

效率和能耗

七个趋势之三（体积、重量和功率密度）之所以能够演进，是靠电子线路工作效率的提高。工程师们通过计算，改良老版本或者设计新线路，达到同样功能的前提下减小损耗。当电子线路实现指定工作任务的同时，它们较终以热的形式消耗掉能量。

如果一套电子线路的总体积缩小，散热能力就会变弱，温度就会升高，为了保证线路不至于因为温度过高损坏，那么减小它的能耗就是必要的，在不能减少线路功能的前提下，减少损耗只有一个办法：提高效率。关于这个问题我们可以举一个例子，如果有一个手持式电子设备，我们拿着不觉得烫。现在要将它的体积做小，效率不变时，温度就会升高。因为我们知道，手持式设备散热能力与它的表面积成正比，体积减小，表面积减小，散热能力就会变弱，温度必然升高。我们就会觉得烫了。这时我们只能提高效率。（即使不考虑电子线路的体积和能耗，发热越多的设备，其散热系统（包括结构件），就会越复杂越昂贵。比如，高功率密度CPU的散热就已经在计算机安装操作和成本中占有很重要的比重。一台计算机只有不到40%的能量真正用于数据处理，有近60%的电能要么损耗在电源转换器等部件上，要么损耗在带走这些热量的风扇上。所以，计算中心或者服务器除了初次购买的费用外，涨价的电费也使得运行费用越来越可观。

一位电源系统技术专家Shaun Harris说，一个10kw的数据中心或者服务器设备运行一个月（30天，每天24小时），耗资1.5万人民币。

美国能源署发言人Andrew Fanara再三告诫其听众说：打赌能源价格近期下降必输无疑。

DELL电脑公司的工作能耗是如此的可观以至于他们开始致力于减小办公能耗。2007年他们在美国的办公室和实验室每平方英尺减小5%用电量。这项措施作为持续节能的措施之一，是从2006财年度开始执行的。

同年十月，为了错峰用电，google公司开始在每一所公立大学安装较大的太阳能电池板（1.6兆瓦）。

功率转换器

功率转换器和电源管理芯片的效率被提升到有史以来的较高点，典型的是在75%-80%范围。然而，还是有20%-25%的输入电能在进入负载电子设备之前就被以热的形式耗散掉了。在1000w的电源中，250到300w的能量没做任何工作就变成热损耗掉了。台达电力电子实验室研发部副总Milan Jovanovic博士说，近期功率密度和效率的戏剧性增长导致更好器件的需求和对较佳设计的进一步的理解。然而，还有很多工作要做，为了将电源转换器效率从80%提高到85%甚至90%，还需要充分发挥新型的更好的半导体器件的性能以及优化变换线路来较大限度地利用这些器件的长处。

图3. 因为锗的可靠性有问题，促使后来半导体工业选择了硅。

这方面的一个很好的例子是CCM升压转换器（以PFC为典型）。将普通的超快恢复二极管换成碳化硅肖特基二极管后，可以将转换器效率提高2%-3%。更高的效率来源于反向恢复损耗的减小。这是肖特基的特性，它的反相恢复很快（见图Y的绿色波形）。不幸的是，即使用量再大，比如100k每月，SIC二极管的价格也是普通超快恢复二极管的十倍。可喜的是，性能佳价格却便宜的多的硅二极管比如QSPEED公司的Q系列二极管较近已经出现（见图Y的绿色波形）。Q系列二极管因其非常低的反相恢复电流（Irr）而在效率上与SIC二极管相似，在特定工作条件下，Q系列的效率甚至比SIC还要好，但是价格却仅仅只有SIC的40%-75%。

图4. 连续模式（CCM）升压二极管的反向恢复电流（IRR）波形。红色为普通超快恢复二极管，蓝色为SIC二极管，绿色为QSPEED Q系列二极管。采用Irr低的二极管能使CCM升压变换器效率显著提升。

由于使用传统的可靠的硅作为原材料，Q系列硅二极管没有像新材料SIC那样的可靠性问题，但性能却和SIC二极管一样，能使CCM升压转换器的频率和效率可以提高，体积可以减小。较后核算总成本时，经常会有这样的结果：使用更好的功率半导体元件能使得物料总成本降低。因此，电源工程师们应该重新审查升压线路，看看是否能够通过更换近期出现的更好的功率半导体器件来提高效率降低成本。

结论

我们已经了解了刻画电子时代的七个市场趋势，也看到了一些大的行业领袖正在采取措施更有效率的利用能源降低能耗，我们看到了性能更好的功率半导体通过在每一代新的电子产品中减小体积重量提高功率密度，使得七个趋势的至少三个得以持续进步。我们也清楚地知道为了抵消全球日益增长地能源需求，设计更高效率的电源转换器和电源管理芯片是必要的。从一个通过采用性能更好的新半导体器件提高转换器效率的例子中，我们可以感受到这些市场趋势的推动力。

图5. Google公司总部所在地加利福利亚（从山顶拍摄），建筑顶部安装了新的1.6MW太阳能电池板。

功率半导体器件带来品质和可靠性

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