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(jìn)一步降低了導(dǎo)通電阻；同時(shí)通過采用單獨(dú)設(shè)置柵極驅(qū)動(dòng)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(duì)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(huì)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(duì)此我們非常感興趣。此次，想請(qǐng)您以4引腳封裝為重點(diǎn)介紹一下該產(chǎn)品。

－首先，請(qǐng)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(gè)引腳之外，另外設(shè)置了驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jìn)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(xì)了解一下剛剛您的概述中出現(xiàn)的幾個(gè)要點(diǎn)。首先，什么是“驅(qū)動(dòng)器源極引腳”？

驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)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(dòng)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(dú)立，來消除ID對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的影響。

－也就是說基本的思路就是開爾文連接對(duì)吧。

是??！稍后會(huì)給您看實(shí)際的封裝，首先我來介紹一下驅(qū)動(dòng)器源極引腳對(duì)降低開關(guān)損耗的貢獻(xiàn)。

MOSFET通常為電壓驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)電源VG和MOSFET的柵極引腳之間，會(huì)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(dòng)電路中，因此在這里省略。

－這就涉及到MOSFET驅(qū)動(dòng)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(huì)造成很大影響，但在SiC MOSFET的特點(diǎn)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(dòng)勢VLSOURCE就成了問題。

我們用Figure 2來更具體一點(diǎn)進(jìn)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(dòng)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(jī)制產(chǎn)生電動(dòng)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(shí)的驅(qū)動(dòng)電路網(wǎng)中，因此，實(shí)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(shí)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(dòng)勢之后的電壓對(duì)吧。

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

關(guān)斷時(shí)也同樣適用公式（1）。但是，由于IG和dID/dt變?yōu)樨?fù)數(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(huì)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(huì)不必要地降低開關(guān)速度，而且開關(guān)損耗會(huì)增加。

另外，LSOURCE是封裝內(nèi)部的寄生分量，因此無法從外部進(jìn)行調(diào)整。這是非常重要的一點(diǎn)。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(dá)到幾A/ns時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生10V以上的電動(dòng)勢VLSOURCE，這些將對(duì)開關(guān)工作產(chǎn)生很大的影響。

－前面看到數(shù)學(xué)公式時(shí)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(dòng)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