ROHM SiC MOSFET采用4引腳封裝的原因解析

ROHM最近推出了SiC MOSFET的新系列產(chǎn)品“SCT3xxx xR系列”。SCT3xxx xR系列采用最新的溝槽柵極結(jié)構(gòu)，進一步降低了導(dǎo)通電阻；同時通過采用單獨設(shè)置柵極驅(qū)動器用源極引腳的4引腳封裝，改善了開關(guān)特性，使開關(guān)損耗可以降低35%左右。此次，針對SiC MOSFET采用4引腳封裝的原因及其效果等議題，我們采訪了ROHM株式會社的應(yīng)用工程師。

－關(guān)于SiC MOSFET的SCT3xxx xR系列，除了導(dǎo)通電阻很低，還通過采用4引腳封裝使開關(guān)損耗降低了35%，對此我們非常感興趣。此次，想請您以4引腳封裝為重點介紹一下該產(chǎn)品。

－首先，請您大致講一下4引腳封裝具體是怎樣的封裝，采用這種封裝的背景和目的是什么。

首先，采用4引腳封裝是為了改善SiC MOSFET的開關(guān)損耗。包括SiC MOSFET在內(nèi)的電源開關(guān)用MOSFET和IGBT，被作為開關(guān)元件廣泛應(yīng)用于各種電源應(yīng)用和電源線路中。必須盡可能地降低這種開關(guān)元件產(chǎn)生的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，但不同的應(yīng)用，其降低損耗的方法也不盡相同。作為其中的一種手法，近年來發(fā)布了一種4引腳的新型封裝，即在MOSFET的源極、漏極、柵極三個引腳之外，另外設(shè)置了驅(qū)動器源極引腳。此次的SCT3xxx xR系列，旨在通過采用最新的溝槽柵極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻和傳導(dǎo)損耗；通過采用4引腳封裝，進一步發(fā)揮出SiC本身具有的高速開關(guān)性能，并降低開關(guān)損耗。

－那么，我想詳細了解一下剛剛您的概述中出現(xiàn)的幾個要點。首先，什么是“驅(qū)動器源極引腳”？

驅(qū)動器源極引腳是應(yīng)用了開爾文連接原理的源極引腳。開爾文連接是通過電阻測量中的4個引腳或四線檢測方式，在電流路徑基礎(chǔ)上加上兩條測量電壓的線路，以極力消除微小電阻測量或大電流條件下測量時不可忽略的線纜電阻和接觸電阻的影響的方法，是一種廣為人知的方法。這種4引腳封裝僅限源極，通過使連接?xùn)艠O驅(qū)動電路返回線的源極電壓引腳與流過大電流的電源源極引腳獨立，來消除ID對柵極驅(qū)動電路的影響。

－也就是說基本的思路就是開爾文連接對吧。

是?。∩院髸o您看實際的封裝，首先我來介紹一下驅(qū)動器源極引腳對降低開關(guān)損耗的貢獻。

MOSFET通常為電壓驅(qū)動，通過控制柵極引腳的電壓來導(dǎo)通/關(guān)斷MOSFET。Figure 1為以往的3引腳封裝（TO-247N）MOSFET的常規(guī)柵極驅(qū)動電路示例。紅色虛線表示MOSFET封裝內(nèi)部和外部的邊界。

通常，在驅(qū)動電源VG和MOSFET的柵極引腳之間，會插入用來控制開關(guān)速度的外置柵極電阻RG_EXT，而且還包含印刷電路板的布線電感LTRACE。另外，在源極引腳和內(nèi)部的MOSFET芯片之間，包含封裝電感LSOURCE。

在寄生分量中，柵極引腳的封裝電感包含在LTRACE中，而漏極引腳的封裝電感LDRAIN不包含在柵極驅(qū)動電路中，因此在這里省略。

－這就涉及到MOSFET驅(qū)動中基本的柵極電阻和寄生分量了吧。

是的。但是，如果是普通IGBT的開關(guān)速度的話，可能不會造成很大影響，但在SiC MOSFET的特點之一“高速開關(guān)”條件下，開關(guān)的漏極-源極間電流ID的轉(zhuǎn)換和LSOURCE引起的電動勢VLSOURCE就成了問題。

我們用Figure 2來更具體一點進行說明。Figure 2表示在開關(guān)工作中的電路內(nèi)部電壓情況。

當(dāng)MOSFET被施加VG并導(dǎo)通后，ID急劇增加，LSOURCE產(chǎn)生圖中的電動勢VLSOURCE（Ⅰ）。

由于電流IG流入柵極引腳，因此RG_EXT產(chǎn)生電壓降VRG_EXT（Ⅰ）。

雖然柵極線路的LTRACE也以相同的機制產(chǎn)生電動勢，但非常小，影響很小，因此在此省略。

這些電壓包含在導(dǎo)通時的驅(qū)動電路網(wǎng)中，因此，實際上施加給內(nèi)部芯片并使MOSFET導(dǎo)通的電壓VGS_INT減少了。VGS_INT的減少可以通過公式（1）來表示。

－也就是說，實際上施加給內(nèi)部芯片的VGS_INT，是從柵極施加電壓VG減去外置柵極電阻的電壓降和源極引腳寄生電感的電動勢之后的電壓對吧。

是的。當(dāng)VGS_INT減少后，MOSFET導(dǎo)通的速度（即開關(guān)）就會變慢。

關(guān)斷時也同樣適用公式（1）。但是，由于IG和dID/dt變?yōu)樨摂?shù)，因此RG_EXT和LSOURCE產(chǎn)生標(biāo)記為（Ⅱ）的電壓上升，VGS_INT反而增加。增加后使關(guān)斷速度下降。

－關(guān)于您提到RG_EXT和LSOURCE會導(dǎo)致開關(guān)速度下降，RG_EXT是外置的柵極電阻，因此只要減小電阻值就可以減少影響了吧？

如您所述，通過減小RG_EXT是可以提高開關(guān)速度的。RG_EXT本來是用來調(diào)整開關(guān)速度的，在這里應(yīng)該理解如果RG_EXT大于所需的值，就會不必要地降低開關(guān)速度，而且開關(guān)損耗會增加。

另外，LSOURCE是封裝內(nèi)部的寄生分量，因此無法從外部進行調(diào)整。這是非常重要的一點。一般來講，電源開關(guān)元器件的LSOURCE為幾nH到十幾nH，加上當(dāng)dID/dt達到幾A/ns時可能會產(chǎn)生10V以上的電動勢VLSOURCE，這些將對開關(guān)工作產(chǎn)生很大的影響。

－前面看到數(shù)學(xué)公式時我還有些疑問，現(xiàn)在基本理解了。

您可能已經(jīng)猜到，要想消除這種VLSOURCE的影響，就需要改變封裝的結(jié)構(gòu)。我們因此而采用了電源源極和驅(qū)動器用源極分開的4引腳封裝。

抱歉引言有些長。下面是4引腳封裝的示例。目前ROHM已經(jīng)推出的產(chǎn)品有（a）TO-247-4L和（b）TO-263-7L。

編輯：hfy