目前電源供應器,一次側(包含APFC)區域,常用的功率元件有兩種封裝,一種是TO-220,一種是TO-220FP(FullPAK),如下圖所示,最左邊的TO-220因為外露金屬部分與下方其中一個接腳相通,所以安裝在金屬散熱片上時就需要加上絕緣螺絲墊片及絕緣導熱墊,以免對散熱片形成短路。但右邊三顆的TO-220FP,因為採全絕緣封裝,所以可以直接安裝在金屬散熱片上,而不用加上絕緣螺絲墊片及絕緣導熱墊

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那這兩種封裝有什麼差別呢?以下用Infineon IPx50R190CE這款功率元件來當成範例,這型號功率元件有分成三種, TO-247叫做IPW50R190CE,TO-220叫做IPP50R190CE,TO-220FP叫做IPA50R190CE,但是正面的元件標記都只印5R190CE

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既然都叫5R190CE,其主要特性都是相同的,但是封裝會影響如Power Dissipation等規格參數,這個參數是指在規定的散熱條件下,功率元件本身可以連續承受的最大功率,這裡可以看到TO-247/TO-220以及TO-220FP的可承受最大功率相差很多

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那為什麼封裝會影響最大承受功率呢?因為TO-247/TO-220內部半導體晶粒的熱量可以從外露金屬部分傳導出來,所以從晶粒到外殼及晶粒到環境的熱阻很小。TO-220FP因為整個半導體晶粒都用環氧樹脂包住,整個熱阻就高上許多,因為熱阻大,導熱不易,所以可承受最大功率就必須要下修,避免內部晶粒因為過熱而損壞

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不過TO-220FP因為整個都是環氧樹脂包覆,其外殼有很高的絕緣耐壓,這也是為什麼TO-220FP安裝在金屬散熱片上時不用絕緣螺絲墊片及絕緣導熱墊

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回到主題,因為目前電源採高效率化設計,可讓功率元件本身承受功率值大幅下降,所以比起早期機種,同樣功率的高效率電源允許使用較小Power Dissipation的功率元件,但是部分體積較小或大輸出功率的電源供應器,為了讓功率元件在散熱條件較差(散熱片較小/內部較擁擠等),或是連續高功率輸出下,能有更大的承受功率餘裕範圍,會採用TO-220封裝功率元件,但是如果發生異物/濕氣/灰塵等接觸在TO-220外露金屬及散熱片之間,因為該處電壓接近DC400V左右,所以就可能會發生功率元件與散熱片發生短路/跳火的現象,這時功率元件就會被短路大電流擊穿而損壞,電源供應器就無法運作
下方圖片,為一款SFX小型化高功率電源供應器,箭頭所指處就是功率元件外露金屬與散熱片間發生跳火,導致該處燒黑並擊穿功率元件,也造成電源供應器故障,必須送修

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為了避免這種情況,部分較重視耐用性或環境耐受度的電源供應器,當使用TO-220封裝功率元件時,會使用如下圖的白色絕緣蓋,將功率元件上方外露金屬部分蓋住,同時也提供足夠下壓力把功率元件壓在絕緣導熱墊上,避免增加熱阻,這種白色絕緣蓋會以可耐熱及絕緣的材質製作,避免受熱變形,也提供良好高電壓絕緣性能

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從側面看,白色絕緣蓋幾乎完全蓋住TO-220的外露金屬部分,大大降低異物/濕氣/灰塵等造成短路的可能性

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另外也有廠商採用絕緣導熱雙面膠,可黏在散熱片表面與功率元件之間,強力的黏性使其不需固定用絕緣螺絲墊片及螺絲,不過因為功率元件金屬部分仍舊外露,所以若異物/濕氣/灰塵分布範圍夠大,也是有造成短路的可能

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同一群組的功率元件先焊接在金屬片上(導電兼做散熱片使用,因為採用焊接方式所以可以把熱阻降到最低),再用絕緣導熱雙面膠黏貼在固定用金屬板上,因為具有絕緣特性,不同群組間不會有短路問題

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結論:
因為台灣環境與氣候因素,導致異物/濕氣/灰塵入侵電源供應器的機率大增,雖然有廠商已經開始在電路板上使用三防塗料,但功率元件與金屬散熱片之間的絕緣同樣重要,如何加強功率元件絕緣性,同時保有較大承受功率餘裕及較低熱阻,是電源廠商要研究的課題,同時也能降低因為這類損壞導致使用者必須送修或更換的機率

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