【導(dǎo)讀】功率開關(guān)器件（如MOSFET, IGBT）廣泛應(yīng)用于新能源汽車、工業(yè)、醫(yī)療、交通、消費(fèi)等行業(yè)的電力電子設(shè)備中，直接影響著這些電力電子設(shè)備的成本和效率。因此，實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗和更低的導(dǎo)通損耗一直是功率半導(dǎo)體行業(yè)的不懈追求。
相較于傳統(tǒng)的硅MOSFET和硅IGBT 產(chǎn)品，基于寬禁帶碳化硅材料設(shè)計(jì)的碳化硅 MOSFET 具有耐壓高、導(dǎo)通電阻低，開關(guān)損耗小的特點(diǎn)，可降低器件損耗、減小產(chǎn)品尺寸，從而提升系統(tǒng)效率。而在實(shí)際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)：帶輔助源極管腳的TO-247-4封裝更適合于碳化硅MOSFET這種新型的高頻器件，它可以進(jìn)一步降低器件的開關(guān)損耗，也更有利于分立器件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
圖片
01 TO-247-3與TO-247-4兩種封裝類型介紹
圖1 傳統(tǒng)TO-247-3封裝的MOSFET類型
傳統(tǒng)的TO-247-3封裝的MOSFET類型如圖1所示，其管腳由柵極、漏極和源極構(gòu)成。從應(yīng)用角度來(lái)看，驅(qū)動(dòng)回路和功率回路共用了源極的管腳。MOSFET是一個(gè)電壓型控制的開關(guān)器件，其開通關(guān)斷行為由施加在柵極和源極之間的電壓（通常稱之為VGS）來(lái)決定。
從圖1模型來(lái)看，有幾個(gè)參數(shù)是我們需要特別關(guān)注的，因?yàn)樗鼘?duì)器件的開通關(guān)斷行為有著非常大的影響。Rg_ext是用戶可以用來(lái)調(diào)整分立器件開通關(guān)斷的外部電阻，Rg_int是芯片內(nèi)部的柵極電阻，兩者之和稱為器件的柵極電阻。門極回路雜散電感Ltrace是驅(qū)動(dòng)回路PCB布局時(shí)引入的，而雜散電感Lsource則是封裝管腳源極到芯片內(nèi)部帶來(lái)的寄生電感。對(duì)于漏極到芯片背面的寄生電感Ldrain并沒(méi)有在驅(qū)動(dòng)回路中，因此不在分析的范圍中。
圖2 新的TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET模型
新的TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET模型如圖2所示，我們發(fā)現(xiàn)這種封裝的管腳數(shù)及其管腳定義發(fā)生了很大的變化。相對(duì)于TO-247-3，這種封裝多了一個(gè)S極管腳，我們將它稱為輔助源極或者開爾文管腳KS(Kelvin Source)。同時(shí)，這種封裝形式將驅(qū)動(dòng)回路和主功率回路解耦開，有利于驅(qū)動(dòng)板的布局設(shè)計(jì)。
下面，我們先從實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)的角度來(lái)感受一下，TO-247-4這種帶輔助源極管腳的封裝形式對(duì)碳化硅MOSFET這種高速功率開關(guān)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。
02 從數(shù)據(jù)的角度去分析共源雜散電感對(duì)開關(guān)損耗的影響
（1）雙脈沖測(cè)試時(shí)的重要注意事項(xiàng)---電流探頭的相位校準(zhǔn)
對(duì)傳統(tǒng)的硅基分立器件（硅IGBT和硅MOSFET），通常是用柔性電流探頭（羅氏線圈）去測(cè)試集電極電流或漏極電流。但對(duì)于開關(guān)速度更快的碳化硅MOSFET，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于柔性電流探頭測(cè)試的電流存在一定的延遲時(shí)間，從而導(dǎo)致碳化硅MOSFET的開通關(guān)斷損耗的測(cè)量存在很大的偏差（如圖3所示）。
圖3 漏極電流校準(zhǔn)前后波形
由上述波形可知，柔性電流探頭測(cè)試的電流波形ID需要進(jìn)行13.8ns左右的相移校準(zhǔn)，才能將電流探頭的相位與電壓探頭的相位之差校準(zhǔn)為0，這樣更接近實(shí)際的波形，開關(guān)損耗值才能更真實(shí)。
我們進(jìn)一步比較漏極電流波形校準(zhǔn)前后對(duì)開關(guān)損耗的影響：
圖4 漏極電流校準(zhǔn)前后開關(guān)損耗對(duì)比波形
表1 電流探頭校準(zhǔn)前后的開關(guān)損耗統(tǒng)計(jì)
由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，電流探頭校準(zhǔn)前后的開通損耗和關(guān)斷損耗相差非常大，因此測(cè)試之前很有必要對(duì)電流探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，避免數(shù)據(jù)分析誤差過(guò)大。
（2）開關(guān)損耗參數(shù)對(duì)比
我們采用雙脈沖的方法來(lái)比較一下基本半導(dǎo)體1200V 80mΩ 的碳化硅MOSFET的兩種封裝B1M080120HC（TO-247-3）和B1M080120HK（TO-247-4）在相同條件下的開關(guān)損耗差異。
圖5 雙脈沖測(cè)試方法及測(cè)試條件
圖6 兩種封裝的開關(guān)損耗對(duì)比
B1M080120HK的開通損耗相對(duì)于B1M080120HC有了明顯的下降，關(guān)斷損耗也有小幅的下降，整體上來(lái)看B1M080120HK的總損耗降低是非常明顯的。因此，采用TO-247-4封裝，對(duì)碳化硅MOSFET這種快速開通關(guān)斷的器件來(lái)說(shuō)，是非常有吸引力的。
03 TO-247-4輔助源極引腳引入的優(yōu)勢(shì)
下面以基本半導(dǎo)體推出的1200V 80mΩ的碳化硅MOSFET兩種封裝的典型產(chǎn)品B1M080120HC（TO-247-3）和B1M080120HK（TO-247-4）為例，從理論上來(lái)解釋TO-247-4中輔助源極管腳的技術(shù)邏輯，并解釋兩者開關(guān)損耗的差別。
（1）開通過(guò)程分析
圖7 MOSFET開通過(guò)程分析
在MOSFET器件的開通過(guò)程，其模型如圖7所示，其數(shù)學(xué)模型如下：
以TO-247-3為例，在MOSFET開通過(guò)程中，漏極電流ID迅速上升，較高的電流變化率在功率源極雜散電感Lsource上產(chǎn)生正壓降LSource*(dID)/dt（上正下負(fù)），該電壓降使得MOSFET芯片上的門極電壓VGS_int在開通的第一瞬間并不是驅(qū)動(dòng)電壓的數(shù)值，而是要減掉Lsource上產(chǎn)生的電壓。所以開通瞬間的門極電壓是少了一截的，這導(dǎo)致ID的上升速度減慢，Eon因此而增大。而對(duì)于B1M080120HK（TO-247-4），門極回路中沒(méi)有大電流穿過(guò)，所以沒(méi)有來(lái)自主功率回路的擾動(dòng)，芯片的門極能正確地感受到驅(qū)動(dòng)電壓。因此，與B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）開通損耗會(huì)更低。
（2）關(guān)斷過(guò)程分析
圖8 MOSFET關(guān)斷過(guò)程分析
在MOSFET器件的關(guān)斷過(guò)程，其模型如圖8所示，其數(shù)學(xué)模型如下：
以TO-247-3為例，在MOSFET關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流ID迅速下降，較高的電流變化率在功率源極雜散電感Lsource上產(chǎn)生負(fù)壓降LSource*(dID)/dt（上負(fù)下正），該電壓降使得MOSFET芯片上的門極電壓VGS_int在關(guān)斷的第一瞬間并不是驅(qū)動(dòng)電壓的數(shù)值，而是要增加Lsource上產(chǎn)生的電壓。所以關(guān)斷瞬間的門極電壓是減小比較慢的，這導(dǎo)致ID的下降速度減慢，Eoff因此而增大。而對(duì)于B1M080120HK（TO-247-4），門極回路中沒(méi)有大電流穿過(guò)，所以沒(méi)有來(lái)自主功率回路的擾動(dòng)，芯片的門極能正確地感受到驅(qū)動(dòng)電壓。因此，與B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）關(guān)斷損耗也會(huì)更低。
04 結(jié)論
引入了輔助源極管腳成為TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET，避免了驅(qū)動(dòng)回路和功率回路共用源極線路，實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)回路的解耦。同時(shí)，TO-247-4封裝的開關(guān)器件由于沒(méi)有來(lái)自功率源極造成的柵極電壓衰減，使得碳化硅MOSFET（TO-247-4封裝）的開關(guān)速度會(huì)比TO-247-3封裝的更快，開關(guān)損耗更小。
因此，當(dāng)您在使用碳化硅MOSFET進(jìn)行新方案設(shè)計(jì)時(shí)，為進(jìn)一步減小碳化硅MOSFET器件的開關(guān)損耗以及便于驅(qū)動(dòng)回路的布局設(shè)計(jì)，建議選擇TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET產(chǎn)品。
基本半導(dǎo)體碳化硅MOSFET產(chǎn)品系列
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