功率元器件傳統封裝形式帶來的開關性能限製
 

TO-247N（圖1）是應用最廣泛的功率晶體管傳統封裝形式之一。如圖1左側所示
，該器件的每個引腳都存在寄生電感分量。圖1右(you)側(ce)是(shi)非(fei)常(chang)簡(jian)單(dan)且(qie)典(dian)型(xing)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)示(shi)例(li)。從(cong)這(zhe)些(xie)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，漏(lou)極(ji)引(yin)腳(jiao)和(he)源(yuan)極(ji)引(yin)腳(jiao)的(de)電(dian)感(gan)分(fen)量(liang)會(hui)被(bei)加(jia)到(dao)主(zhu)電(dian)流(liu)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)中(zhong)
，這(zhe)些(xie)電(dian)感(gan)會(hui)導(dao)致(zhi)器(qi)件(jian)在(zai)關(guan)斷(duan)時(shi)產(chan)生(sheng)過(guo)電(dian)壓(ya)，因(yin)此(ci)要(yao)想(xiang)確(que)保(bao)過(guo)電(dian)壓(ya)的(de)數(shu)值(zhi)滿(man)足(zu)漏(lou)極(ji)-源極間技術規格的要求
，就需要限製器件的開關速度。

 

圖1：功率元器件的傳統封裝及其寄生電感

 

柵極引腳和源極引腳的寄生電感是柵極驅動電路中的一部分，因此在驅動MOSFET時需要考慮這部分電感。此外，這部分電感還可能會與柵極驅動電路中的寄生電容之間發生振蕩。當MOSFET導通時，ID增加，並且在源極引腳的電感（Ls）中產生電動勢（VLS）。而柵極引腳中則流入電流（IG），並且因柵極電阻（RG）而發生電壓降。由於這些電壓包含在柵極驅動電路中
，因此它們會使MOSFET導通所需的柵極電壓降低，從而導致導通速度變慢，見圖2。

 

圖2：L_S導致芯片中的V_GS降低（導通時）

 

解決這種問題的方法之一是采用具備“驅動器源極”引腳的功率元器件封裝。通過配備將源極引腳和柵極驅動環路分開的驅動器源極引腳
，可以消除導通時的源極電感（LS）對柵極電壓的影響，因此不會因電壓降而降低導通速度
，從而可以大大減少導通損耗。

 

TO-263-7L帶來的開關性能改善

除了TO-247-4L封裝外
，羅姆還開發出采用TO-263-7L表貼封裝，使分立SiC MOSFET產品陣容更加豐富。采用TO-263-7L封裝可以實現SiC MOSFET源極引腳的開爾文連接
，這種封裝的優點如圖3所示。從圖中可以看出
，柵極驅動相關的部分和主電流路徑不再共享主源極側的電感LS。因此，可以使器件的導通速度更快，損耗更小。

 

圖3：TO-263-7L表貼封裝及其寄生電感

 

采用TO-263-7L封裝的另一個優點是漏極引腳和源極引腳的電感比TO-247N封裝小得多。由於漏極引腳的接合麵積大，另外源極引腳可以由多根短引線並聯連接組成，因此可以降低封裝的電感（LD或LS）。為了量化新封裝形式帶來的元器件性能改進程度，我們比較了采用兩種不同封裝的相同SiC MOSFET芯片的導通和關斷時的開關動作（圖4）。

 

圖4：1200V/40mΩ SiC MOSFET的開關動作比較

 

（TO-247N：SCT3040KL
、TO-263-7L：SCT3040KW7、V_DS=800V）

 

導通時的開關瞬態曲線表明，采用三引腳封裝（TO-247N）的“SCT3040KL”dekaiguansudushoudaoxianzhi，qizhongyigeyuanyinshiyuanjiyinjiaodediandongshishiyouxiaozhajidianyajiangdi
，daozhidianliubianhuashijianbianchang，congerzaochengdaotongsunhaozengjia。erduiyucaiyongjubeiqudongqiyuanjidebiaotiefengzhuang（TO-263-7L）的“SCT3040KW7”來說，電流變化時間則變得非常短
，因此可以減少導通損耗。另外，由於寄生電感減少，因此采用TO-263-7L封裝的SiC MOSFET在關斷時的dI/dt要高得多，因此關斷損耗也小於TO-247N封裝。

 

下圖展示了兩種封裝實現的開關損耗與開關電流之間的關係。顯然，TO-263-7L封裝器件導通速度的提高有助於降低開關損耗
，尤其是在大電流區域效果更加明顯。

 

圖5：采用TO-247N封裝和TO-263-7L封裝的1200V/40mΩ SiC MOSFET的開關損耗比較

 

【柵極驅動電路：使用了米勒鉗位（MC）和浪湧鉗位用的肖特基勢壘二極管（SBD）】

 

如(ru)上(shang)述(shu)比(bi)較(jiao)數(shu)據(ju)所(suo)示(shi)，具(ju)有(you)可(ke)以(yi)連(lian)接(jie)至(zhi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)環(huan)路(lu)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)源(yuan)極(ji)引(yin)腳(jiao)，並(bing)可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)的(de)封(feng)裝(zhuang)，器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)得(de)以(yi)發(fa)揮(hui)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)大(da)電(dian)流(liu)區(qu)域(yu)中(zhong)發(fa)揮(hui)得(de)更(geng)好(hao)。所(suo)以(yi)
，在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)器(qi)件(jian)總(zong)損(sun)耗(hao)更(geng)小(xiao)
；另外，如果降低損耗不是主要目標，則還可以增加器件的開關頻率。

 

新表貼封裝產品的陣容

 

除了上文提到的1200V/40mΩ產品之外，羅姆產品陣容中還包括額定電壓分別為650V和1200V 的TO-263-7L 封裝SiC MOSFET產品（表1）。另外，符合汽車電子產品可靠性標準的車載級產品也在計劃中。

 

表1：TO-263-7L封裝的溝槽SiC MOSFET產品陣容 

 

表貼封裝SiC MOSFET在車載充電器(OBC)中的適用性

 

本文將以一個3.7kW單相PFC的電路為應用案例來說明表貼封裝SiC MOSFET能夠實現的性能。這種功率級單相PFC可用作單相3.7kW車載充電器的輸入級，或用作11kW車載充電係統的構件。在後一種情況下，將三個單相PFC通過開關矩陣相組合

，可以實現單相驅動或最大11kW的三相驅動。該應用案例框圖參見圖6。

 

圖6：多個3.7kW PFC組成的11kW OBC框圖

 

圖7中包括幾種可應用的PFC電路拓撲結構。傳統升壓PFC的輸入端存在二極管整流電路
，因此其效率提升受到限製。兩相無橋PFC以及圖騰柱PFC可以削減二極管整流電路
，從而可以降低總傳導損耗。但是需要注意的是，兩相無橋PFC雖然可實現高效率，卻存在每個橋臂僅在一半輸入周期內使用的缺點，因此每個器件的峰值電流與電流有效值之比（即所謂的“波峰因數”）增高
，使功率半導體上的功率循環壓力很大。

 

 

圖7：單相PFC的概念圖

 

圖騰柱PFC有兩種不同的類型。最簡單的類型僅包含兩個MOSFET和兩個二極管。由於二極管在低頻下開關，因此選擇具有低正向壓降的器件。另一方麵，由於MOSFET中的體二極管用於換流，因此選擇體二極管特性出色的器件是非常重要的。此外
，新型寬帶隙半導體（比如SiC MOSFET）具有支持硬開關的體二極管
，因此非常適用於這類應用。最後，如果希望盡可能獲得更出色的性能，那麼可以用有源開關（比如SJ MOSFET）來替代低頻開關二極管，以進一步降低損耗。

 

為了展示利用圖騰柱PFC可以實現的幾種性能，我們實施了仿真。在仿真中
，我們對采用TO-263-7L 封裝的650V／60mΩ SiC MOSFET的開關損耗測量值進行了驗證。假設開關頻率為100 kHz，我們對高頻側橋臂和低頻側橋臂的半導體損耗都進行了建模。對於低頻橋臂，由於開關損耗的影響極小
，因此僅考慮了60mΩ產品的導通損耗。

 

仿真結果如圖8所示。從圖中可以看出，最大效率為98.7%
，出現在60%的(de)標(biao)稱(cheng)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)附(fu)近(jin)。該(gai)階(jie)段(duan)的(de)其(qi)他(ta)損(sun)耗(hao)沒(mei)有(you)建(jian)模(mo)。當(dang)然(ran)，為(wei)了(le)進(jin)行(xing)全(quan)麵(mian)分(fen)析(xi)，不(bu)僅(jin)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)和(he)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)
，還(hai)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)感(gan)和(he)其(qi)他(ta)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)的(de)損(sun)耗(hao)。然(ran)而(er)
，很(hen)明(ming)顯(xian)，在(zai)使(shi)用(yong)了(le)650V SiC MOSFET的圖騰柱PFC中
，可以實現高性能的PFC電路。

 

圖8：僅考慮半導體損耗的圖騰柱PFC的估算效率

 

（V_in = 230V，V_out = 400V，f_SW = 100 kHz，高頻側橋臂：SCT3060AW7
，低頻側橋臂：60mΩ產品）

 

結語

 

在本文中
，我們確認了SiC MOSFET采用具備驅動器源極引腳的低電感表貼封裝所帶來的性能優勢。研究結果表明，尤其是在大電流條件下，由於柵極環路不受dI/dt以及源極引腳電感導致的電壓降的影響，因此采用表貼封裝的產品導通損耗大大降低。封裝電感的總體減小還使得SiC MOSFET的關斷速度加快。這兩個優點顯著降低了器件導通和關斷時的開關損耗。在係統方麵，我們已經看到，圖騰柱PFC中采用R_DS(ON)為60mΩ的650V SiC MOSFET時的轉換效率超過98%，這將有利於實現非常緊湊的設計，因此可以說，這對於車載充電器等車載應用開發來說是非常重要的關鍵點。

 

 

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題
，請聯係小編進行處理。

 

推薦閱讀：