使用開(kāi)爾文連接提高 SiC FET 的開(kāi)關(guān)效率

碳化硅 (SiC) 等寬帶隙器件可實(shí)現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(lèi)封裝的連接往往會(huì )導致較高的電感。閱讀本博文，了解如何謹慎使用開(kāi)爾文連接技術(shù)以解決電感問(wèn)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) 功率半導體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴展到電動(dòng)汽車(chē) (EV)、工業(yè)電源、電路保護、可再生能源和數據中心電源等快速增長(cháng)的市場(chǎng)。

物理現象既會(huì )帶來(lái)優(yōu)勢，也會(huì )產(chǎn)生弊端。采用碳化硅 (SiC) 等寬帶隙材料構建而成的器件，可為設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損耗和開(kāi)關(guān)損耗較低，而且工作結溫高，開(kāi)關(guān)速度快。高功率密度的晶體管對于實(shí)現更小的功率控制和轉換電路有非常大的幫助，但僅僅改變半導體材料是無(wú)法實(shí)現的，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(kāi)關(guān)速度。

物理現象有利有弊，而在這種情況下，使用開(kāi)爾文連接技術(shù)可以解決電感問(wèn)題。但是我們必須謹慎實(shí)現此類(lèi)連接，以避免發(fā)生更糟糕的物理現象。

開(kāi)爾文連接

蘇格蘭/愛(ài)爾蘭實(shí)驗主義者開(kāi)爾文男爵非常關(guān)注物理現象（如電流）的測量精度。他明白，要想通過(guò)檢測給定電流下低電阻導致的壓降，并結合使用歐姆定律來(lái)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(xiàn)路和載流路徑分開(kāi)。這種方法被稱(chēng)為開(kāi)爾文連接。

開(kāi)爾文連接最初用于測量電路中適當位置的靜態(tài)電壓，但也可以用于在適當位置注入電壓。例如：當以高頻率驅動(dòng) MOSFET 開(kāi)關(guān)的柵極時(shí)，器件的源連接就是柵極驅動(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(cháng)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(lái)源于 MOSFET 的內部焊線(xiàn)，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(kāi)關(guān)電流速度

當以微秒為單位計算開(kāi)關(guān)時(shí)間時(shí)，數安培的開(kāi)關(guān)電流只會(huì )產(chǎn)生幾毫伏的瞬態(tài)電壓，從而使柵極驅動(dòng)電壓幾乎保持不變。但是，寬帶隙 (WBG) 器件可在數納秒時(shí)間內產(chǎn)生數十安培的開(kāi)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，甚至會(huì )導致器件故障。

對于 Si MOSFET，可以在柵極關(guān)閉時(shí)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(huì )導致更高的柵極驅動(dòng)功耗，該功耗會(huì )隨總柵極驅動(dòng)電壓波動(dòng)一同變化。這一問(wèn)題對于采用 SiC 或氮化鎵的 WBG 器件更為嚴重，因為此類(lèi)器件只支持大約 -3V 的負驅動(dòng)電壓。解決方案就是使用開(kāi)爾文連接，以確保柵極驅動(dòng)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(shí)現這一點(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(kāi)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(kāi)爾文連接

開(kāi)關(guān)速度越快，效率越高

使用開(kāi)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(shí)的開(kāi)關(guān)速度運行，無(wú)需使用柵極負電壓。這可以簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路。效果非常明顯：當 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(kāi)爾文連接時(shí)，電流壓擺率可超過(guò)5000 A/μs，從而實(shí)現更高效率，且不會(huì )影響柵極驅動(dòng)信號。

物理現象并非盡如人意，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電壓過(guò)沖。我們還必須小心部署柵極驅動(dòng)回路，以盡可能地減少回路中的電感，同時(shí)防止出現由主換向回路導致的外部磁場(chǎng)拾取問(wèn)題。

哪種開(kāi)爾文連接？

使用開(kāi)爾文連接時(shí)還會(huì )遇到其他實(shí)際問(wèn)題。如果柵極驅動(dòng)回路的電壓為主系統 0V 電壓，也就是與電源地線(xiàn)連接，則可能難以成為開(kāi)爾文連接至開(kāi)關(guān)的共用點(diǎn)。如果電路為全橋，那么至少會(huì )有兩個(gè)低側器件，如果都采用開(kāi)爾文連接，則應將哪個(gè)連接至系統 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(wèn)題會(huì )變得更加復雜：如果開(kāi)爾文連接的電壓為系統 0V 電壓，則電阻中的電壓將為負電壓。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法就是，通過(guò)光耦合器或變壓器來(lái)隔離柵極驅動(dòng)，這也是任何高側驅動(dòng)都需使用的辦法。如果此類(lèi)隔離用于低側，則可以靈活實(shí)現開(kāi)爾文連接，與系統 0V 隔離（圖 3）。此外，使用變壓器意味著(zhù)，設計人員可以根據需要生成關(guān)態(tài)柵極驅動(dòng)負電壓，并且可以通過(guò)調整匝比將驅動(dòng)正電壓調整至其最佳值。

圖 3：隔離的變壓器柵極驅動(dòng)

優(yōu)勢大于劣勢

使用開(kāi)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(kāi)關(guān)，并且實(shí)際上還可在較高功率水平下使用。