使用開爾文連接提高SiC FET的開關(guān)效率

碳化硅 (SiC) 等寬帶隙器件可實現(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導(dǎo)致較高的電感。閱讀本博文，了解如何謹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)擴展到電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護、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)象既會帶來優(yōu)勢，也會產(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)計人員提供能夠保持高功率密度的晶體管，因為這些晶體管的傳導(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于實現(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，這又是一個物理難題：TO-247 封裝的連接往往電感較高，這會限制開關(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。但是我們必須謹慎實現(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/愛爾蘭實驗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 MOSFET 開關(guān)的柵極時，器件的源連接就是柵極驅(qū)動電壓與漏極-源極電流的共用點。如果存在共源電感 L（如圖 1 中所示），則電流的變化就會影響柵極電壓，且影響程度與電感 L 和電流變化率成正比。在柵極被驅(qū)動關(guān)斷時，電感 L 兩端產(chǎn)生的電壓就會使柵極更長時間地保持接通狀態(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導(dǎo)致 L 增加。

圖 1：共源電感會產(chǎn)生瞬態(tài)柵極電壓，從而降低開關(guān)電流速度

當(dāng)以微秒為單位計算開關(guān)時間時，數(shù)安培的開關(guān)電流只會產(chǎn)生幾毫伏的瞬態(tài)電壓，從而使柵極驅(qū)動電壓幾乎保持不變。但是，寬帶隙 (WBG) 器件可在數(shù)納秒時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)十安培的開關(guān)電流，這樣每 nH 連接電感就會產(chǎn)生大約 2-5V 瞬態(tài)電壓。如果柵極驅(qū)動中增加了這種瞬態(tài)電壓，就會阻止 MOSFET 關(guān)斷，從而產(chǎn)生振鈴風(fēng)險，甚至?xí)?dǎo)致器件故障。

對于 Si MOSFET，可以在柵極關(guān)閉時施加加負電壓（或許為 -10V）以克服柵極電壓尖峰造成的偏壓降低。但這會導(dǎo)致更高的柵極驅(qū)動功耗，該功耗會隨總柵極驅(qū)動電壓波動一同變化。這一問題對于采用 SiC 或氮化鎵的 WBG 器件更為嚴重，因為此類器件只支持大約 -3V 的負驅(qū)動電壓。解決方案就是使用開爾文連接，以確保柵極驅(qū)動回路盡可能靠近 MOSFET 晶粒的源連接。盡管使用芯片級封裝比較容易實現(xiàn)這一點，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 個引腳，以便進行開爾文連接（圖 2）。

圖 2：TO-247 封裝的第 4 個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柵極偏置電壓的潛在影響，讓寬帶隙器件以其真實的開關(guān)速度運行，無需使用柵極負電壓。這可以簡化驅(qū)動電路。效果非常明顯：當(dāng) UnitedSiC 的 SiC JFET 共源共柵使用三引腳封裝時，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，電流壓擺率可超過5000 A/μs，從而實現(xiàn)更高效率，且不會影響柵極驅(qū)動信號。

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)動回路，以盡可能地減少回路中的電感，同時防止出現(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？

使用開爾文連接時還會遇到其他實際問題。如果柵極驅(qū)動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。如果電路為全橋，那么至少會有兩個低側(cè)器件，如果都采用開爾文連接，則應(yīng)將哪個連接至系統(tǒng) 0V？如果在器件源極引腳中使用電阻式電流感測，那么這個問題會變得更加復(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電壓。

解決這個問題的一個方法就是，通過光耦合器或變壓器來隔離柵極驅(qū)動，這也是任何高側(cè)驅(qū)動都需使用的辦法。如果此類隔離用于低側(cè)，則可以靈活實現(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)計人員可以根據(jù)需要生成關(guān)態(tài)柵極驅(qū)動負電壓，并且可以通過調(diào)整匝比將驅(qū)動正電壓調(diào)整至其最佳值。

圖 3：隔離的變壓器柵極驅(qū)動

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)，并且實際上還可在較高功率水平下使用。