功率器件向节能增效发展 主要厂商纷纷推出新品
功率电子器件成为2005年慕尼黑电子展的一大热点，包括意法半导体(ST)、英飞凌、三菱电机、安森美以及美国国际整流器(IR)在内的多家公司纷纷亮相，展示各种不同系列的功率电子产品。特别地，安森美、英飞凌以及IR公司不约而同打出节能增效的口号，在展会上宣布推出其最新的几款功率电子器件。
安森美：力助ATX电源达标80plus
安森美半导体的最新产品NCP4330是一款采用后稳压、双N沟道结构的MOSFET驱动器。“目前，终端厂商越来越感受到来自高能效标准方面的压力。”安森美模拟产品部亚太区产品经理蒋家亮表示，“使用NCP4330可以帮助设计人员提高ATX和高功率开关电源(SMPS)正激变换器的效率，使其达到80%以上。”
在传统ATX电源电路中，有两点因素限制了其效率的提高：1.使用磁放大控制器时所需的饱和电感会随着环境温度的变化而变化；2.耗电的二极管组成的周边电路。
“NCP4330克服了这两方面的缺点，可用来代替磁放大控制器。”蒋家亮解释说，“该驱动器时无需饱和电感。另外，由于使用同步MOSFET代替了二极管，这些都使电源效率得到提高。”他表示，NCP4330带来了有源钳位和同步整流的正激变换器拓扑结构。由于减少了变压器匝数，电路可靠性得到了提高，并同时节省了PCB板面积，而EMI特性也随之得到提升。此外，在NCP4330中使用的重叠管理技术还可支持软切换操作，使得这款驱动器可以在更高的有效频率范围内进行工作。“NCP4330适于18~75V范围内的直流输入应用产品，另外还可用在多输出，独立稳压的场合，稳压范围可达1~3%。” 蒋家亮说。
英飞凌：CoolMOS CS突破“硅限制”
全球第四大半导体公司英飞凌科技展示的则是其号称“目前市场上唯一一种可实现最低导通和开关损耗的MOSFET”——CoolMOS服务器系列(CoolMOS CS)产品。据称，采用TO220封装时其导通电阻为99mΩ，采用TO247封装时则为45mΩ，均为全球最低值；而开关速度为150 V/nS(伏/纳秒)，亦为行业最高值。英飞凌科技透露，雅达电源已在其高端服务器应用电源系统解决方案DS1300-3产品中选用了该系列器件，从而实现了在AC到12VDC大功率分布式开关电源中12.6W/inch3的功率密度。
据介绍，CoolMOS CS服务器系列晶体管是专门为计算机服务器以及通信设备、平板显示器等其他高功率密度应用而设计的。它不仅可以帮助电源产品成功瘦身，提升其能源效率，同时产生的热量也会显著降低。来自英飞凌科技奥地利有限公司汽车、工业以及多元化市场集团的电源管理和驱动技术市场经理Fanny Dahlquist博士举例介绍说，“在移相全桥ZVS系统中，怎样提升效率是目前普遍关心的问题。在我们进行的1000W移相全桥参考设计电路的研究中，使用CoolMOS CS，相对仅次于它的竞争产品来说，效率可以提高1.5个百分点，达到92.4%。”
CoolMOS CS系列是在英飞凌科技CoolMOS C3系列MOSFET器件的基础上，通过工艺控制、优化拓扑和系统成本而取得成功的。Fanny表示，“新系列产品成功跨越了所谓的‘硅限制’。” 她强调说，“在新型的SJ MOSFET结构下Rds(on)*A进一步降低到2.5?*mm2以下。CS服务器系列可使功率密度提高到25W/inch3以上，并可进一步实现轻载和满载下的效率提升。”
此外，CoolMOS CS系列产品还有一个优势。那就是通过它可以将移相全桥ZVS电路用交替双管正激架构(ITTF)进行代替，而同时仍然保持较高电源效率。“这样做的好处是不仅能得到相当程度的高效率电源，更重要的是它可以大大降低系统复杂程度，从而帮助服务器制造商节省开发成本。”Fanny表示。据称，在前文提到的1000W参考设计中，使用ITTF架构获得的效率也能够达到91.2%。“虽然在重载或满载的情况下，ITTF架构效率不如移相全桥ZVS电路，但是在轻载时，这种电路结构表现出非常可观的优势。比如1/3负载时，效率可以提高7%。”她补充道。
IR：μPFC IR1550适合全功率应用
开关电源的整流桥以及滤波电路令整体负载表现为容性，并使交流输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波。功率因数矫正(PFC)在改善SMPS电流尖峰、降低高次谐波、保护电机、变压器及中性线路方面是功不可没。IR公司此次宣布推出的便是其可适用于75W-4kW以上全功率范围的AC-DC PFC产品——μPFC IR1150系列。据称，这款产品能协助AC-DC应用将功率因数提高到0.999，而整体波形失真仅4％。
功率因数矫正规范已经从日本普及到欧洲和中国。这些地区的人口占据全球总人口的1/3。根据这项政策，功率大于75W的电子产品(或大于26W的照明应用产品)都要进行功率因数矫正。IR公司AC-DC事业部市场经理Stephen Oliver表示，“通过功率因数矫正，人们可以提高电气传输网络的效率，从而节约更多的能源及削减电费开支。”
在过去，技术人员采用连续电流模式(CCM)来实现大功率器件(>250W)的PFC方案，对于小功率采用(<250W)，则采用非连续电流模式(DCM)。不过，由于CCM电路中使用了一个体积庞大元件众多(如MOS管驱动器、AC线输入电压传感电阻等)的乘法器，从而使得产品成本居高不下；而DCM电路在系统功率大于100W时随着峰值电流和EMI滤波器尺寸的加大，其体积也亦步亦趋，又使功率密度不得不做出牺牲。“于是产品工程师不得不面对这样一种尴尬局面：必须在性能和成本之间做出折衷。” Stephen说。
“使用IR1150可以解决这个问题并获得成本低廉的系统设计方案。”Stephen表示，“由于体积小巧，再加上又采用了CCM模式，因此该款芯片在小功率及大功率应用场合都能胜任。”
IR1550的技术特色还在于其采用的单周期控制(OCC)模式和集成的复位整合器。Stephen介绍说，“所有的动作都能在系统时钟的一个单周期里完成。”在这种模式下，电路中不再需要模拟放大器、输入电压传感电阻以及三角波振荡器。而复位整合器的存在又提供了一个闭环的PWM栅极驱动电路，省去了以往的外加驱动电路。这就为节省电路空间带来可能。另外，他还表示，“传统系统只能工作在120Hz的频率，在使用IR1550后，该数字可以提高到200kHz。这意味着更小的磁场以及更小的电路板占位空间。”据称，在采用IR1550的典型1kW PFC控制设计中，电路元件相比原来减少了40%，PCB板面积也缩减到只有原来的一半。“这样平均下来，每个电路板大概可以降低1美元的成本，”Stephen说。
除此之外，IR1550还提供了一个专用的OVP管脚来进行过压保护。而其栅极驱动电流也达到了号称“目前在业界最大驱动能力的”1.5A。另外，22V的电源电压为适应各种恶劣的工作条件提供了强大后盾。来自IR的消息说，目前已有多家用户在90W笔记本电脑适配器、3kW服务器以及10kW焊接设备中使用了IR1550，市场前景看好。