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TO-247封裝碳化硅MOSFET中引入輔助源極管腳的必要性

發(fā)布時(shí)間:2022-09-15 來源:基本半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:wenwei

【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


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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)來決定。


從圖1模型來看,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)部帶來的寄生電感。對(duì)于漏極到芯片背面的寄生電感Ldrain并沒有在驅(qū)動(dòng)回路中,因此不在分析的范圍中。


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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)。


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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:


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圖4 漏極電流校準(zhǔn)前后開關(guān)損耗對(duì)比波形


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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)分析誤差過大。


(2)開關(guān)損耗參數(shù)對(duì)比


我們采用雙脈沖的方法來比較一下基本半導(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。


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圖5 雙脈沖測(cè)試方法及測(cè)試條件


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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)斷的器件來說,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)開通過程分析


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圖7 MOSFET開通過程分析


在MOSFET器件的開通過程,其模型如圖7所示,其數(shù)學(xué)模型如下:


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以TO-247-3為例,在MOSFET開通過程中,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),門極回路中沒有大電流穿過,所以沒有來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)斷過程分析


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圖8 MOSFET關(guān)斷過程分析


在MOSFET器件的關(guān)斷過程,其模型如圖8所示,其數(shù)學(xué)模型如下:


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以TO-247-3為例,在MOSFET關(guān)斷過程中,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),門極回路中沒有大電流穿過,所以沒有來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)器件由于沒有來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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