開關式電源 (Switch Power) 旨在控制開通和關斷的時間點以維持穩定的輸出電壓，一般由脈沖寬度調變 (PWM) 控制 IC 和金氧半場效晶體管 (MOSFET) 構成，輕量、提高工作頻率的耐受度是主要方向；而如何在高壓功率組件獲得良好的崩潰電壓及導通電阻？向來是業界不斷精進的課題。在氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等新一代寬能隙 (Wide Band-gap) 半導體材料未臻成熟前，借助高摻雜濃度的＂超接面＂(Super Junction，簡稱 SJ) 結構，能有效優化上述兩項技術指標、達到節能目的，并突破硅 (Si) 材料極限，故成為新型高壓功率組件的新寵。
功率組件選購準則：效能、價格、易用性與產品組合
英飛凌 (Infineon) 是最早將 SJ 工藝商用化的半導體廠商，率先于 2001 年推出首款 SJ MOSFTET 產品——CoolMOS C3。英飛凌電源管理與多元電子事業處資深營銷經理陳志星表示，經過近二十年的淬煉，CoolMOS 系列已能將效能、價格、易用性與產品組合 (portfolio) 之間取得最佳平衡。他建議，效能和價格固然是采購的基本準則，但電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 對于系統設計的影響亦不容小覷，否則善后工作會很棘手且耽誤開發時程；而往往切換頻率越快，RFI 越明顯，因此，設計前應做全方位的考慮，這即是所謂＂易用性＂的要義。
英飛凌 (Infineon) 是最早將 SJ 工藝商用化的半導體廠商，率先于 2001 年推出首款 SJ MOSFTET 產品——CoolMOS C3。英飛凌電源管理與多元電子事業處資深營銷經理陳志星表示，經過近二十年的淬煉，CoolMOS 系列已能將效能、價格、易用性與產品組合 (portfolio) 之間取得最佳平衡。他建議，效能和價格固然是采購的基本準則，但電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 對于系統設計的影響亦不容小覷，否則善后工作會很棘手且耽誤開發時程；而往往切換頻率越快，RFI 越明顯，因此，設計前應做全方位的考慮，這即是所謂＂易用性＂的要義。
照片人物：英飛凌電源管理與多元電子事業處資深營銷經理陳志星
就系統角度而言，還須考慮外圍組件的適配度；例如，選用功率密度 (High Density) 高的組件，＂扼流器＂(Power Choke) 等無源組件的體積亦可隨之微縮；以服務器為例，可連帶使整個電源模塊、乃至機殼外型都更為輕薄，以極大化利用有限的數據中心空間；若功率組件廠商能提供多種 RDS(ON) 導通電阻等級和不同封裝方式的＂產品組合＂，工程師也有更多選擇的可能性。＂這也是為何我們在原有極致效能的 650/600V CoolMOS C7之外，再鎖定全面性的多樣化需求，另推 CoolMOS P7的動機所在＂，陳志星說明。
CoolMOS 高壓 MOSFET：增加頻率范圍，實現新型拓撲
陳志星介紹，2013 年問市的 CoolMOS C7 SJ MOSFET 系列在功率因子修正 (PFC)、雙晶體管順向式 (TTF) 和其他硬切換拓撲中，擁有媲美 GaN 的性能；適合高功率開關模式電源 (SMPS) 應用，如：超大型數據中心、電信基地臺、太陽能和工業等著重高效率、降低物料清單 (BoM) 和整體持有成本 (TCO) 的應用。其 PFC 效率增幅可從 0.3% 提升至 0.7%，邏輯鏈路控制 (LLC) 拓撲效率則增加 0.1%；因能有效減少閘電荷和輸出電容，使切換頻率得以增加一倍、達 200 kHz，同時將損耗達到極低、可大幅縮小磁性組件的尺寸，進而降低整體 BoM 成本。
陳志星介紹，2013 年問市的 CoolMOS C7 SJ MOSFET 系列在功率因子修正 (PFC)、雙晶體管順向式 (TTF) 和其他硬切換拓撲中，擁有媲美 GaN 的性能；適合高功率開關模式電源 (SMPS) 應用，如：超大型數據中心、電信基地臺、太陽能和工業等著重高效率、降低物料清單 (BoM) 和整體持有成本 (TCO) 的應用。其 PFC 效率增幅可從 0.3% 提升至 0.7%，邏輯鏈路控制 (LLC) 拓撲效率則增加 0.1%；因能有效減少閘電荷和輸出電容，使切換頻率得以增加一倍、達 200 kHz，同時將損耗達到極低、可大幅縮小磁性組件的尺寸，進而降低整體 BoM 成本。
圖1：英飛凌 CoolMOS 系列產品定位之落點分析
資料來源：英飛凌提供
近期亮相的 800/700V CoolMOS P7，則是面向今后＂準諧振返馳式拓撲＂趨勢而來，號稱更為面面俱到，適用于軟切換拓撲應用，藉由改善切換損耗 (Eoss)、柵極電荷 (Qg) 與輸入電容 (Ciss)／輸出電容 (Coss)，可將系統效能優化，提升返馳式充電器的全機效率并降低器件溫度。今年新增的 600V 版本可涵蓋 100 W～15 kW 的功率等級，目標應用包括充電器、適配器、照明、電視、PC 電源、太陽能、服務器、電信及電動車充電等，具備 37～600 m? 的寬廣通態電阻 RDS(on) 范圍；另本體二極管 (Body Diode) 能在 LLC 電路的硬式換流事件保護器件。
特別一提的是，P7 的導通電阻選項更多、啟動電壓更精準；且整合齊納二極管 (Zener diode)，具備更高的靜電放電 (ESD) 耐受性，可減少良率損失并改善組裝產能。P7 600V 版本提供表面黏著器件 (SMD) 或插入型封裝，適合多種應用與功率范圍；＂除了導通電阻和損耗問題，封裝亦會關系到負載與電路板空間運用效率，以及穩壓效果＂，陳志星指出。他透露，由于穩壓效果佳，C7 目前正在發展符合車規的版本。此外，為求更好的散熱效果，C7 另提供 TO 無引線封裝的＂600V C7 Gold＂版本 (簡稱 G7)，適用于更高電流的設計。
圖2：600 V CoolMOS C7 是邁向 GaN 等更高切換頻率工藝的基石
資料來源：英飛凌提供
立足＂硅基板氮化鎵＂，持續挺進下個明星工藝：GaN 與 SiC
在將 SJ 工藝發揚光大之余，英飛凌對于有較高切換頻率的 GaN，以及較高功率承受能力的 SiC 等新材料之技術研發亦未缺席；格外看好具有十倍于硅材的電場強度、高三倍的熱導率、寬三倍的能隙、高一倍的飽和遷移速度等特性，適合 1200V 以上的高壓應用，如：汽車和太陽能。事實上，英飛凌于 2015 年并購美國國際整流器公司 (IR) 后，不但進一步擴充關于 GaN 的專利產品組合，也拓展了＂硅基板氮化鎵＂(GaN/Si) 產品、GaN/Si 磊晶工藝，以及 100～600 V 的技術。結合兩大新興技術，推出＂SiC 射頻功率晶體管＂的首款 GaN 系列產品。
在將 SJ 工藝發揚光大之余，英飛凌對于有較高切換頻率的 GaN，以及較高功率承受能力的 SiC 等新材料之技術研發亦未缺席；格外看好具有十倍于硅材的電場強度、高三倍的熱導率、寬三倍的能隙、高一倍的飽和遷移速度等特性，適合 1200V 以上的高壓應用，如：汽車和太陽能。事實上，英飛凌于 2015 年并購美國國際整流器公司 (IR) 后，不但進一步擴充關于 GaN 的專利產品組合，也拓展了＂硅基板氮化鎵＂(GaN/Si) 產品、GaN/Si 磊晶工藝，以及 100～600 V 的技術。結合兩大新興技術，推出＂SiC 射頻功率晶體管＂的首款 GaN 系列產品。
相較于既有的射頻功率晶體管，新產品效率更高、功率密度與帶寬更大，具備更高的數據傳輸量，支持頻率范圍達 6 GHz 頻段；英飛凌還將它整合至自家 SMD 封裝，以提供高效易用的 600 V 氮化鎵功率器件。日前更成功展示采用溝槽式技術的 1200V CoolSiC MOSFET 模塊平臺和拓撲，動態損耗比 1200 V Si IGBT 降低一個數量級，首批產品將用于支持包括太陽能逆變器、不斷電系統 (UPS) 及充電器／儲能系統等應用，后續可延伸至工業馬達驅動、醫療技術或鐵道用輔助電源供應等；受惠于更低的失效率 (FIT) 和出色的短路容量，耐用性更佳。
圖3：英飛凌 EASY 1B IGBT 模塊導通電組 RDS(ON) 僅 45 mΩ，整合式本體二極管確保低損耗續流功能，適用于馬達驅動、太陽能或焊接技術領域
資料來源：英飛凌提供
SiC MOSFET 可提供極快的切換瞬變，且英飛凌的技術可通過柵極串聯電阻來促進瞬變調整的簡易度，進而輕松實現優化的電磁兼容性 (EMC)。雖然與全球 LED 照明龍頭科銳 (Cree) 旗下 Wolfspeed 電源和 RF 部門的交易暫時告吹，然而，奠基于既有專利工藝及封裝技術扎根甚深，又是自有晶圓廠的 IDM 大廠、可視市況動態調控產能；或許正是支撐英飛凌連續多年穩居功率半導體市場寶座的最重要原因。
