以常見的通用型備援伺服器電源供應器(CRPS)為例，其標準體積長185mm、寬73.5mm、高40mm，回溯十年前的設計，其輸出功率大約800W，而目前在相同體積的要求下，輸出功率已可以提高至3,200W，要達到這樣的目標。除了提高切換頻率以縮小磁性元件的空間占比，及電路架構的改變外，交換式電源供應器在功率元件的半導體選用上，勢必要挑選包裝小並且能提升效率的功率元件，如圖1所示，為目前在高電壓(≥600V)等級所使用的表面黏著封裝(Surface Mounted Package)，具有低導通電阻、高電流及高散熱能力，符合交換式電源供應器的高功率密度需求，其中值得說明的是，在TOLL包裝中，其導通電阻最低可達22mΩ；在QDPAK中，其導通電阻最低可達10mΩ，甚至於比傳統的TO247封裝更低。
上述的新式封裝功率晶體，除了應用於傳統功因修正器中高頻切換的主開關外，無橋式圖騰極功率因數修正電路中的低頻開關，如圖2中所示的Q1及Q2，擔任橋式整流器的角色，切換頻率為市電頻率，功率損耗主要來自導通時的導通損耗，其主要訴求為盡可能低的導通電阻，所以這類封裝的低導通電阻功率晶體也能滿足無橋式圖騰極功率因數修正電路中，對於功率晶體的要求。
除了上述的應用外，在高功率密度電源供應器中能夠減少空間使用的最後一哩路，就是以功率晶體取代大功率交換式電源供應器中，用來旁路(Bypass)突波電流抑制電阻的繼電器，這樣做法的好處有幾點。一，可以大幅減少繼電器占用的空間，二，可以減少繼電器的損耗，三，可以提高線路的可靠度。實務上以功率晶體取代繼電器的應用，並不是隨插即用(Plug&Play)的概念，在元件的應用電路設計及元件選用，必須額外說明差異。因此以下本文將說明，以功率晶體取代繼電器的優點及設計考量。
傳統繼電器與功率晶體比較
如圖3(a)所示，為傳統使用繼電器的功率因數修正電路，其中用來抑制湧浪電流的電阻R串接於交流輸入電壓迴路之上，俟輸出電容電壓達到特定值後，繼電器開通能夠以低電阻值的金屬簧片來旁路電阻R，減少其造成的導通損耗，由於控制繼電器開通及關斷的控制繞組，是獨立的電位控制，原則上繼電器及電阻的位置並不受限制，只要能夠串接在輸入電源及輸出電容之間，就能夠達到抑制湧浪電流的目的。
反之，功率晶體僅有三個腳位，閘極用以控制，汲極用以導通，而源極用以提供參考準位，再加上本體二極體的存在，不同於繼電器的情況，致使考慮功率晶體取代繼電器時，必須考慮功率晶體的驅動訊號準位以及電阻所在的位置。如圖3(b)所示，功率晶體及電阻都必須串接在輸出電容的負極性及系統的地電位之間，不僅僅達到抑制湧浪電流目的，也可以減少使用額外的驅動電路。
如前述，針對高功率密度的應用而言，採用功率晶體取代繼電器有幾項優點，其中第一個優點是空間上的節省，考慮額定電氣規格為250V/10A的交流繼電器及被廣泛使用取代繼電器的TOLL封裝外觀尺寸，如圖4所示，其中，交流繼電器的外觀尺寸20.5×10.2×11.3mm，而TOLL封裝為9.9×11.7×2.3mm，換算為體積分別為2,363mm3及267mm3，從體積的占比來看，改採用功率晶體TOLL封裝時，體積占比可以節省近90%；此外考慮繼電器是貫孔(Through Hole)銲接的元件，所以繼電器必須被放置在PCB之上，而在實際的應用當中，即使考慮PCB主板的板下空間時，被用來取代繼電器的功率晶體可以採用表面黏著的封裝，並銲接在PCB主板的背面，其所造成的空間節省會比想像中的還多。
功率晶體改善導通損耗
功率晶體取代繼電器的第二個優點是功率損耗上的節省，繼電器的損耗來自兩大部分，驅動損耗及導通損耗，其中繼電器的導通來自於驅動電壓加在驅動繞組之上，假設繞組的直流電阻值為360Ω，在採用12V的驅動電壓時，所造成的靜態驅動損耗就有0.4W，而功率晶體的閘-源極電阻為MΩ等級，即使為了減少誤動作，額外並聯10k在閘-源極間，在採用12V的驅動電壓時其靜態驅動損耗最大為14.4mW；在這項應用之中，損耗的最大改善幅度來自於接觸電阻(Contact Resistance)的導通損耗。
當繼電器接觸電阻為100mΩ，連續導通電流有效值分別為半載5A及滿載10A的條件下，其導通損耗分為5W及10W；假設採用IPT60R022S7，在功率晶體為50℃及100℃的條件下，其導通電阻值分別為26.4mΩ/37.4mΩ，造成的導通損耗分別為0.66W/3.74W，分別在半載及滿載的條件下，總損耗可以減少4.7W及6.64W。
除了導通損耗的減少外，繼電器的機械結構，在長時間使用後簧片彈跳、閉合與斷開的電弧，容易產生大電流和熱而造成觸點老化及可靠度的弱化，反之功率晶體的導通與截止仰賴晶粒本身的通道產生與消除，即使長時間使用也沒有導通電阻額外上昇的情況，具有較高的零件使用可靠度。
功率晶體需克服的缺點
功率晶體取代繼電器雖然有優點，但在實務上也會出現缺點，在應用上最容易產生問題的條件，就是在雷擊測試之中的可靠度問題。繼電器是利用金屬簧片做為導體，除了溫度及接觸點造成的接觸阻抗外，其電阻值並不會隨著流過的電流量大小，而大幅提高；反之，功率晶體的導通電阻並不是定值，會依照流經功率晶體的電流值而所有變化，如表1所示，以IPT60R022S7為例，其標稱最大導通電阻在VGS=12V，ID=23A，Tj=25℃的條件下量測得到，而在正常操作條件，例如在額定3kW輸出的電源供應器之中，考慮輸入電壓為180Vac的情況時，流經功率晶體的最大電流也不會超過30A，符合功率晶體大多數情況的使用條件。
事實上功率晶體的導通電阻會隨著其元件的溫度的上升及流經電流值的增加而變得愈大，如圖5(a)所示，功率晶體在元件溫度為125℃時的導通電阻值約為其在25℃時的2倍；而圖5(b)中可知，以VGS=12V時，功率晶體在流經300A時的導通電阻約為在流經20A時的1.4倍，簡而言之，溫度及電流愈大，電阻值愈大。
當功率晶體在交換式電源供應器中取代繼電器，並採用如圖3(b)的接連方式，考慮在雷擊測試中的等效電路如圖6所示，交換式電源供應器依據IEC61000-4-5及不同應用的產品需通過相對應等級的雷擊規範，以伺服器電源供應器為例，主要是以符合線對線2KV的基本規格為目標。
從圖6的等效電路中可以得知，新式連接特點在於輸出電容的負極並不是直接連接於地電位之上，而是透過電阻連接到地電位，因此輸出電壓值是輸出電容電壓值再加上電阻上的跨壓，即VO=VCo+VRelay。
在傳統連接下，輸出電容會在差模雷擊測試中吸收大部分的雷擊能量，即使在相對高的雷擊電壓測試，功率因數修正器的輸出電壓也不至於到很高的數值；在新式連接的功率因數修正器中分別採用IPT60R028G7及IPT60R022S7作用取代繼電器的功率晶體。實測雷擊測試過程中，記錄功率因數修正器的輸出電壓及汲-源極電壓(VDS)，其中在1kV時，使用IPT60R028G7及IPT60R028G7的功率因數修正器的輸出電壓分別為440V及428V；在2kV時，使用IPT60R028G7及IPT60R028G7的功率因數修正器的輸出電壓分別為591V及515V，假設雷擊時的輸入電壓VIN=VAC+VSurge，而在此瞬間的電流為ISurge=(VAC+VSurge-VO)/(RS+Req+RSurge )，理想情況下功率晶體的電阻被視為是只有數十mΩ，輸出電壓值不應該有太高的增加(圖7、8)。
然而在雷擊測試中流經功率晶體的電流可能高達800A以上，致使功率晶體的等效電阻值變為原來的十倍以上，而功率晶體在這個測試條件，即使在驅動電壓完整驅動的情況下，功率晶體的跨壓竟接近於200V，電路的輸出電壓也會接近600V。可以想像得到，如果進行更高的雷擊測試電壓，電路的輸出電壓也會遠超過650V，甚至於更高，進而對相連接的元件產生過電壓燒毀的情況。
功率因數修正器雷擊測試
由這個測試結果可以得到簡單結論，功率晶體的原始導通電阻愈高，在相同的雷擊測試電壓時，會得到愈大的功率晶體電壓；電路在愈高的雷擊測試電壓下，也會得到愈大的輸出電壓。換言之，決定功率晶體導通電阻值的關鍵因素不是電源供應器的輸出功率，而是待測物所必須通過雷擊測試的電壓準位。例如，必須採用2kV的雷擊測試，至少必須使用22mΩ的功率晶體，在1kV的雷擊測試，就只需要使用40mΩ的功率晶體；反之依照實驗結果，如果雷擊測試電壓高於2.4kV，就至少要使用低於20mΩ的功率晶體。
值得說明的是，在這個電路架構的雷擊測試中，會燒毀的元件不是取代繼電器的功率晶體，而是與功因修正電路輸出電壓並聯的功率晶體，如LLC電路或是主動式橋式整流器的功率晶體。在雷擊測試中，由於輸入電壓遠高於功率因數修正電路的輸出電壓，在此時，雷擊能量會迫使功率因數修正電路的二極體導通，使得主動式橋式整流器上截止的功率晶體，也會看到因為雷擊能量而升高的輸出電壓；或是連接在功率因數修正電路輸出的所有元件，都有可能因為過高的電壓而產生燒毀(圖9)。
功率晶體測驗有效降低功率
在高功率密度的交換式電源供應器中使用功率晶體取代繼電器，可有效減少繼電器占用的體積及提高可靠度，並能降低導通損失及驅動損失。與此同時，實務上在功率晶體取代繼電器的應用中，考量功率晶體的驅動會將功率晶體串接於功率因數修正電路的輸出電容負極及地電位之間，致使在雷擊測試時，流經功率晶體的極大電流使得功率晶體的跨壓上升，並造成功率因數修正器輸出電壓過高，燒毀主動式橋式整流器或是後級LLC電路的功率晶體。
從實際的實驗來看，用以取代繼電器的功率晶體，其導通電阻的選用取決於差模雷擊測試的規格，依照實驗結果，1kV的測試規格需要使用40mΩ、2kV的測試規格需要使用20mΩ，而超過2kV的測試規格需要使用10mΩ或是更低導通電阻的功率晶體。
(本文作者皆為英飛凌科技應用工程師)
