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採用4引腳封裝的SiC MOSFET : SCT3xxx xR系列

採用4引腳封裝的原因

-其1-

Keyword
  • 4引腳封裝
  • 改善SiC MOSFET的切換損耗
  • SCT3xxx xR系列
  • 驅動器源極引腳
  • 開爾文連接
  • 封裝電感LSOURCE
  • 外接電阻閘極RG_EXT
  • LSOURCE引起的電動勢VLSOURCE

ROHM最近推出了SiC MOSFET的新系列產品“SCT3xxx xR系列”。SCT3xxx xR系列採用最新的溝槽閘極結構,進一步降低了導通電阻;同時透過採用單獨設定閘極驅動器用源極引腳的4引腳封裝,改善了切換特性,使切換損耗可以降低35%左右。此次,針對SiC MOSFET採用4引腳封裝的原因及其效果等議題,我們採訪了ROHM株式會社的應用工程師。

-關於SiC MOSFET的SCT3xxx xR系列,除了導通電阻很低,還透過採用4引腳封裝使切換損耗降低了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品。

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

首先,採用4引腳封裝是為了改善SiC MOSFET的切換損耗。包括SiC MOSFET在內的電源切換用MOSFET和IGBT,被作為切換元件廣泛應用於各種電源應用和電源線路中。必須盡可能地降低這種切換元件產生的切換損耗和傳導損耗,但不同的應用,其降低損耗的方法也不盡相同。作為其中的一種手法,近年來發佈了一種4引腳的新型封裝,即在MOSFET的源極、汲極、閘極三個引腳之外,另外設定了驅動器源極引腳。此次的SCT3xxx xR系列,旨在透過採用最新的溝槽閘極結構,實現更低的導通電阻和傳導損耗;透過採用4引腳封裝,進一步發揮出SiC本身具有的高速切換性能,並降低切換損耗。

-那麼,我想詳細瞭解一下剛剛您的概述中出現的幾個要點。首先,什麼是“驅動器源極引腳”?

驅動器源極引腳是應用了開爾文連接原理的源極引腳。開爾文連接是透過電阻測量中的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,透過使連接閘極驅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對閘極驅動電路的影響。

-也就是說基本的思路就是開爾文連接對吧。

是啊!稍後會給您看實際的封裝,首先我來介紹一下驅動器源極引腳對降低切換損耗的貢獻。

MOSFET通常為電壓驅動,透過控制閘極引腳的電壓來導通/關斷MOSFET。Figure 1為傳統的3引腳封裝(TO-247N)MOSFET的常規閘極驅動電路範例。紅色虛線表示MOSFET封裝內部和外部的邊界。

通常,在驅動電源VG和MOSFET的閘極引腳之間,會插入用來控制切換速度的外接閘極電阻RG_EXT,而且還包含印刷電路板的佈線電感LTRACE。另外,在源極引腳和內部的MOSFET晶片之間,包含封裝電感LSOURCE

在寄生分量中,閘極引腳的封裝電感包含在LTRACE中,而汲極引腳的封裝電感LDRAIN不包含在閘極驅動電路中,因此在這裡省略。

-這就涉及到MOSFET驅動中基本的閘極電阻和寄生分量了吧。

是的。但是,如果是普通IGBT的切換速度的話,可能不會造成很大影響,但在SiC MOSFET的特點之一“高速切換”條件下,切換的汲極-源極間電流ID的轉換和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表示在切換工作中的電路內部電壓情況。

當MOSFET被外加VG並導通後,ID急劇增加,LSOURCE產生圖中的電動勢VLSOURCE(Ⅰ)

由於電流IG流入閘極引腳,因此RG_EXT產生電壓降VRG_EXT(Ⅰ)

雖然閘極線路的LTRACE也以相同的機制產生電動勢,但非常小,影響很小,因此在此省略。

這些電壓包含在導通時的驅動電路網中,因此,實際上外加給內部晶片並使MOSFET導通的電壓VGS_INT減少了。VGS_INT的減少可以透過公式(1)來表示。

-也就是說,實際上外加給內部晶片的VGS_INT,是從閘極外加電壓VG減去外接閘極電阻的電壓降和源極引腳寄生電感的電動勢之後的電壓對吧。

是的。當VGS_INT減少後,MOSFET導通的速度(即切換)就會變慢。

關斷時也同樣適用公式(1)。但是,由於IG和dID/dt變為負數,因此RG_EXT和LSOURCE產生標記為(Ⅱ)的電壓上升,VGS_INT反而增加。增加後使關斷速度下降。

-關於您提到RG_EXT和LSOURCE會導致切換速度下降,RG_EXT是外接的閘極電阻,因此只要減小電阻值就可以減少影響了吧?

如您所述,透過減小RG_EXT是可以提高切換速度的。RG_EXT本來是用來調整切換速度的,在這裡應該理解如果RG_EXT大於所需的值,就會不必要地降低切換速度,而且切換損耗會增加。

另外,LSOURCE是封裝內部的寄生分量,因此無法從外部進行調整。這是非常重要的一點。一般來講,電源切換元件的LSOURCE為幾nH到十幾nH,加上當dID/dt達到幾A/ns時可能會產生10V以上的電動勢VLSOURCE,這些將對切換工作產生很大的影響。

-前面看到數學公式時我還有些疑問,現在基本理解了。

您可能已經猜到,要想消除這種VLSOURCE的影響,就需要改變封裝的結構。我們因此而採用了電源源極和驅動器用源極分開的4引腳封裝。

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

(未完待續)

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