【導(dǎo)讀】碳化硅 (SiC) 等寬帶隙器件可實(shí)現(xiàn)能夠保持高功率密度的晶體管,但需要使用低熱阻封裝,比如 TO-247。然而,此類封裝的連接往往會(huì)導(dǎo)致較高的電感。閱讀本博文,了解如何謹(jǐn)慎使用開爾文連接技術(shù)以解決電感問題。
這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布,該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商,它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動(dòng)汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。
物理現(xiàn)象既會(huì)帶來優(yōu)勢,也會(huì)產(chǎn)生弊端。采用碳化硅 (SiC) 等寬帶隙材料構(gòu)建而成的器件,可為設(shè)計(jì)人員提供能夠保持高功率密度的晶體管,因?yàn)檫@些晶體管的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗較低,而且工作結(jié)溫高,開關(guān)速度快。高功率密度的晶體管對(duì)于實(shí)現(xiàn)更小的功率控制和轉(zhuǎn)換電路有非常大的幫助,但僅僅改變半導(dǎo)體材料是無法實(shí)現(xiàn)的,還需要使用低熱阻封裝,比如 TO-247,以便輕松散熱。不幸的是,這又是一個(gè)物理難題:TO-247 封裝的連接往往電感較高,這會(huì)限制開關(guān)速度。
物理現(xiàn)象有利有弊,而在這種情況下,使用開爾文連接技術(shù)可以解決電感問題。但是我們必須謹(jǐn)慎實(shí)現(xiàn)此類連接,以避免發(fā)生更糟糕的物理現(xiàn)象。
開爾文連接
蘇格蘭/愛爾蘭實(shí)驗(yàn)主義者開爾文男爵非常關(guān)注物理現(xiàn)象(如電流)的測量精度。他明白,要想通過檢測給定電流下低電阻導(dǎo)致的壓降,并結(jié)合使用歐姆定律來得出其阻值,就必須精確地測量電阻上的電壓,并且要將測量電壓的線路和載流路徑分開。這種方法被稱為開爾文連接。
開爾文連接最初用于測量電路中適當(dāng)位置的靜態(tài)電壓,但也可以用于在適當(dāng)位置注入電壓。例如:當(dāng)以高頻率驅(qū)動(dòng) MOSFET 開關(guān)的柵極時(shí),器件的源連接就是柵極驅(qū)動(dòng)電壓與漏極-源極電流的共用點(diǎn)。如果存在共源電感 L(如圖 1 中所示),則電流的變化就會(huì)影響柵極電壓,且影響程度與電感 L 和電流變化率成正比。在柵極被驅(qū)動(dòng)關(guān)斷時(shí),電感 L 兩端產(chǎn)生的電壓就會(huì)使柵極更長時(shí)間地保持接通狀態(tài),從而降低電流減小的速度。相反,在接通期間,電感 L 上的電壓就會(huì)降低電流增加的速度。
控制引腳電感的影響
電感 L 來源于 MOSFET 的內(nèi)部焊線,通常約為 1nH/mm。如果器件帶有引腳(比如 TO-247 封裝),則那些外部連接也會(huì)導(dǎo)致 L 增加。
圖 1:共源電感會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)柵極電壓,從而降低開關(guān)電流速度
當(dāng)以微秒為單位計(jì)算開關(guān)時(shí)間時(shí),數(shù)安培的開關(guān)電流只會(huì)產(chǎn)生幾毫伏的瞬態(tài)電壓,從而使柵極驅(qū)動(dòng)電壓幾乎保持不變。但是,寬帶隙 (WBG) 器件可在數(shù)納秒時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)十安培的開關(guān)電流,這樣每 nH 連接電感就會(huì)產(chǎn)生大約 2-5V 瞬態(tài)電壓。如果柵極驅(qū)動(dòng)中增加了這種瞬態(tài)電壓,就會(huì)阻止 MOSFET 關(guān)斷,從而產(chǎn)生振鈴風(fēng)險(xiǎn),甚至?xí)?dǎo)致器件故障。
對(duì)于 Si MOSFET,可以在柵極關(guān)閉時(shí)施加加負(fù)電壓(或許為 -10V)以克服柵極電壓尖峰造成的偏壓降低。但這會(huì)導(dǎo)致更高的柵極驅(qū)動(dòng)功耗,該功耗會(huì)隨總柵極驅(qū)動(dòng)電壓波動(dòng)一同變化。這一問題對(duì)于采用 SiC 或氮化鎵的 WBG 器件更為嚴(yán)重,因?yàn)榇祟惼骷恢С执蠹s -3V 的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。解決方案就是使用開爾文連接,以確保柵極驅(qū)動(dòng)回路盡可能靠近 MOSFET 晶粒的源連接。盡管使用芯片級(jí)封裝比較容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),但如果制造商想要使用 TO-247 封裝以獲得出色的散熱特性,則必須增加第 4 個(gè)引腳,以便進(jìn)行開爾文連接(圖 2)。
圖 2:TO-247 封裝的第 4 個(gè)引腳可提供至源極的開爾文連接
開關(guān)速度越快,效率越高
使用開爾文連接可控制引腳電感及其對(duì)柵極偏置電壓的潛在影響,讓寬帶隙器件以其真實(shí)的開關(guān)速度運(yùn)行,無需使用柵極負(fù)電壓。這可以簡化驅(qū)動(dòng)電路。效果非常明顯:當(dāng) UnitedSiC 的 SiC JFET 共源共柵使用三引腳封裝時(shí),必須降低器件的速度才能保持其可靠性。而使用四引腳封裝以及開爾文連接時(shí),電流壓擺率可超過5000 A/μs,從而實(shí)現(xiàn)更高效率,且不會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
物理現(xiàn)象并非盡如人意,即使是采用 TO-247 封裝,也有需要處理的器件引腳電感。常用的處理方式是跨漏極-源極放置一個(gè)小型緩沖電路,以防止功率路徑中出現(xiàn)電壓過沖。我們還必須小心部署柵極驅(qū)動(dòng)回路,以盡可能地減少回路中的電感,同時(shí)防止出現(xiàn)由主換向回路導(dǎo)致的外部磁場拾取問題。
哪種開爾文連接?
使用開爾文連接時(shí)還會(huì)遇到其他實(shí)際問題。如果柵極驅(qū)動(dòng)回路的電壓為主系統(tǒng) 0V 電壓,也就是與電源地線連接,則可能難以成為開爾文連接至開關(guān)的共用點(diǎn)。如果電路為全橋,那么至少會(huì)有兩個(gè)低側(cè)器件,如果都采用開爾文連接,則應(yīng)將哪個(gè)連接至系統(tǒng) 0V?如果在器件源極引腳中使用電阻式電流感測,那么這個(gè)問題會(huì)變得更加復(fù)雜:如果開爾文連接的電壓為系統(tǒng) 0V 電壓,則電阻中的電壓將為負(fù)電壓。
解決這個(gè)問題的一個(gè)方法就是,通過光耦合器或變壓器來隔離柵極驅(qū)動(dòng),這也是任何高側(cè)驅(qū)動(dòng)都需使用的辦法。如果此類隔離用于低側(cè),則可以靈活實(shí)現(xiàn)開爾文連接,與系統(tǒng) 0V 隔離(圖 3)。此外,使用變壓器意味著,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要生成關(guān)態(tài)柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓,并且可以通過調(diào)整匝比將驅(qū)動(dòng)正電壓調(diào)整至其最佳值。
圖 3:隔離的變壓器柵極驅(qū)動(dòng)
優(yōu)勢大于劣勢
使用開爾文接法連接帶引腳的寬帶隙器件還可使用 TO-247 封裝,從而具有出色的散熱性能。這使我們更接近于理想電氣開關(guān),并且實(shí)際上還可在較高功率水平下使用。
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