【導讀】功率開關(guān)器件（如MOSFET, IGBT）廣泛應用于新能源汽車、工業(yè)、醫(yī)療、交通、消費等行業(yè)的電力電子設備中，直接影響著這些電力電子設備的成本和效率。因此，實現(xiàn)更低的開關(guān)損耗和更低的導通損耗一直是功率半導體行業(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計的碳化硅 MOSFET 具有耐壓高、導通電阻低，開關(guān)損耗小的特點，可降低器件損耗、減小產(chǎn)品尺寸，從而提升系統(tǒng)效率。而在實際應用中，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)動設計。
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。從應用角度來看，驅(qū)動回路和功率回路共用了源極的管腳。MOSFET是一個電壓型控制的開關(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，有幾個參數(shù)是我們需要特別關(guān)注的，因為它對器件的開通關(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)動回路PCB布局時引入的，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。對于漏極到芯片背面的寄生電感Ldrain并沒有在驅(qū)動回路中，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。相對于TO-247-3，這種封裝多了一個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，這種封裝形式將驅(qū)動回路和主功率回路解耦開，有利于驅(qū)動板的布局設計。
下面，我們先從實戰(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碳化硅MOSFET這種高速功率開關(guān)帶來的優(yōu)勢。
02 從數(shù)據(jù)的角度去分析共源雜散電感對開關(guān)損耗的影響
（1）雙脈沖測試時的重要注意事項---電流探頭的相位校準
對傳統(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）去測試集電極電流或漏極電流。但對于開關(guān)速度更快的碳化硅MOSFET，在實際測試過程中，由于柔性電流探頭測試的電流存在一定的延遲時間，從而導致碳化硅MOSFET的開通關(guān)斷損耗的測量存在很大的偏差（如圖3所示）。
圖3 漏極電流校準前后波形
由上述波形可知，柔性電流探頭測試的電流波形ID需要進行13.8ns左右的相移校準，才能將電流探頭的相位與電壓探頭的相位之差校準為0，這樣更接近實際的波形，開關(guān)損耗值才能更真實。
我們進一步比較漏極電流波形校準前后對開關(guān)損耗的影響：
圖4 漏極電流校準前后開關(guān)損耗對比波形
表1 電流探頭校準前后的開關(guān)損耗統(tǒng)計
由測試數(shù)據(jù)可知，電流探頭校準前后的開通損耗和關(guān)斷損耗相差非常大，因此測試之前很有必要對電流探頭進行校準，避免數(shù)據(jù)分析誤差過大。
（2）開關(guān)損耗參數(shù)對比
我們采用雙脈沖的方法來比較一下基本半導體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 雙脈沖測試方法及測試條件
圖6 兩種封裝的開關(guān)損耗對比
B1M080120HK的開通損耗相對于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
下面以基本半導體推出的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
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)學模型如下：
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），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，這導致ID的上升速度減慢，Eon因此而增大。而對于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，芯片的門極能正確地感受到驅(qū)動電壓。因此，與B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）開通損耗會更低。
（2）關(guān)斷過程分析
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)學模型如下：
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)生負壓降LSource*(dID)/dt（上負下正），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，這導致ID的下降速度減慢，Eoff因此而增大。而對于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，芯片的門極能正確地感受到驅(qū)動電壓。因此，與B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）關(guān)斷損耗也會更低。
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)動回路和功率回路共用源極線路，實現(xiàn)了這兩個回路的解耦。同時，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)速度會比TO-247-3封裝的更快，開關(guān)損耗更小。
因此，當您在使用碳化硅MOSFET進行新方案設計時，為進一步減小碳化硅MOSFET器件的開關(guān)損耗以及便于驅(qū)動回路的布局設計，建議選擇TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET產(chǎn)品。
基本半導體碳化硅MOSFET產(chǎn)品系列
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