本文摘要：采用具備驅動器源極引腳的低電感表貼封裝有利于實現緊湊的設計，這對于車載充電器等車載應用開發來說非常重要。人們普遍認為，SiC MOSFET可以實現非�？斓拈_關速度，有助于降低電力電子領域功率轉換過程中的能量損耗。 然而，由于傳統功率半導體封裝的限制，
采用具備驅動器源極引腳的低電感表貼封裝有利于實現緊湊的設計，這對于車載充電器等車載應用開發來說非常重要。人們普遍認為，SiC MOSFET可以實現非常快的開關速度，有助于降低電力電子領域功率轉換過程中的能量損耗。 然而，由于傳統功率半導體封裝的限制，在實際應用中并不能發揮SiC元器件的全部潛力。
在本文中，我們先討論傳統封裝的一些局限性，然后介紹采用更好的封裝形式所帶來的好處。 最后，展示對使用了圖騰柱(Totem-Pole)拓撲的3.7kW單相PFC進行封裝改進后獲得的效果。
功率元器件傳統封裝形式帶來的開關性能限制
TO-247N是應用最廣泛的功率晶體管傳統封裝形式之一。 該器件的每個引腳都存在寄生電感分量。 在這種簡單且典型的柵極驅動電路中，漏極引腳和源極引腳的電感分量會被加到主電流開關電路中，這些電感會導致器件在關斷時產生過電壓，因此要想確保過電壓的數值滿足漏極-源極間技術規格的要求，就需要限制器件的開關速度。
柵極引腳和源極引腳的寄生電感是柵極驅動電路中的一部分，因此在驅動MOSFET時需要考慮這部分電感。 此外，這部分電感還可能會與柵極驅動電路中的寄生電容之間發生振蕩。 當MOSFET導通時，ID增加，并且在源極引腳的電感(Ls)中產生電動勢(VLS)。 而柵極引腳中則流入電流(IG)，并且因柵極電阻(RG)而發生電壓降。 由于這些電壓包含在柵極驅動電路中，因此它們會使MOSFET導通所需的柵極電壓降低，從而導致導通速度變慢。
解決這種問題的方法之一是采用具備“驅動器源極”引腳的功率元器件封裝。 通過配備將源極引腳和柵極驅動環路分開的驅動器源極引腳，可以消除導通時的源極電感(LS)對柵極電壓的影響，因此不會因電壓降而降低導通速度，從而可以大大減少導通損耗。
TO-263-7L帶來的開關性能改善
除了TO-247-4L封裝外，羅姆還開發出采用TO-263-7L表貼封裝，使分立SiC MOSFET產品陣容更加豐富。 采用TO-263-7L封裝可以實現SiC MOSFET源極引腳的開爾文連接，這種封裝的優點是柵極驅動相關的部分和主電流路徑不再共享主源極側的電感LS。 因此，可以使器件的導通速度更快，損耗更小。
采用TO-263-7L封裝的另一個優點是漏極引腳和源極引腳的電感比TO-247N封裝小得多。 由于漏極引腳的接合面積大，另外源極引腳可以由多根短引線并聯連接組成，因此可以降低封裝的電感(LD或LS)。 為了量化新封裝形式帶來的元器件性能改進程度，我們比較了采用兩種不同封裝的相同SiC MOSFET芯片的導通和關斷時的開關動作。
導通時的開關瞬態曲線表明，采用三引腳封裝(TO-247N)的“SCT3040KL”的開關速度受到限制，其中一個原因是源極引腳的電動勢使有效柵極電壓降低，導致電流變化時間變長，從而造成導通損耗增加。 而對于采用具備驅動器源極的表貼封裝(TO-263-7L)的“SCT3040KW7”來說，電流變化時間則變得非常短，因此可以減少導通損耗。 另外，由于寄生電感減少，因此采用TO-263-7L封裝的SiC MOSFET在關斷時的dI/dt要高得多，因此關斷損耗也小于TO-247N封裝。 兩種封裝實現的開關損耗與開關電流之間的關系顯示，TO-263-7L封裝器件導通速度的提高有助于降低開關損耗，并且在大電流區域效果更加明顯。
上文比較數據所示，具有可以連接至柵極驅動環路的驅動器源極引腳可以減小寄生電感的封裝，器件性能得以發揮，并且在大電流區域中發揮得更好。 所以，在相同的開關頻率下器件總損耗更小; 另外，如果降低損耗不是主要目標，則還可以增加器件的開關頻率。
新表貼封裝產品的陣容
除了上文提到的1200V/40mΩ產品之外，羅姆產品陣容中還包括額定電壓分別為650V和1200V的TO-263-7L封裝SiC MOSFET產品。 另外，符合汽車電子產品可靠性標準的車載級產品也在計劃中。
表貼封裝SiC MOSFET在車載充電器(OBC)中的適用性
本文將以一個3.7kW單相PFC的電路為應用案例來說明表貼封裝SiC MOSFET能夠實現的性能。 這種功率級單相PFC可用作單相3.7kW車載充電器的輸入級，或用作11kW車載充電系統的構件。 在后一種情況下，將三個單相PFC通過開關矩陣相組合，可以實現單相驅動或最大11kW的三相驅動。
圖2中包括幾種可應用的PFC電路拓撲結構。 傳統升壓PFC的輸入端存在二極管整流電路，因此其效率提升受到限制。 兩相無橋PFC以及圖騰柱PFC可以削減二極管整流電路，從而可以降低總傳導損耗。 但是需要注意的是，兩相無橋PFC雖然可實現高效率，卻存在每個橋臂僅在一半輸入周期內使用的缺點，因此每個器件的峰值電流與電流有效值之比(即所謂的“波峰因數”)增高，使功率半導體上的功率循環壓力較大。
圖騰柱PFC有兩種不同的類型。 最簡單的類型僅包含兩個MOSFET和兩個二極管。 由于二極管在低頻下開關，因此選擇具有低正向壓降的器件。 由于MOSFET中的體二極管用于換流，因此選擇體二極管特性出色的器件是非常重要的。 此外，新型寬帶隙半導體(比如SiC MOSFET)具有支持硬開關的體二極管，因此非常適用于這類應用。 如果希望盡可能獲得更出色的性能，那么可以用有源開關(如SJ MOSFET)來替代低頻開關二極管，以進一步降低損耗。
為了展示利用圖騰柱PFC可以實現的幾種性能，我們實施了仿真。 在仿真中，我們對采用TO-263-7L封裝的650V/60mΩ SiC MOSFET的開關損耗測量值進行了驗證。 假設開關頻率為100kHz，我們對高頻側橋臂和低頻側橋臂的半導體損耗都進行了建模。 對于低頻橋臂，由于開關損耗的影響極小，因此僅考慮了60mΩ產品的導通損耗。
仿真結果表示最大效率為98.7%，出現在60%的標稱輸出功率附近。 該階段的其他損耗沒有建模。 當然，為了進行全面分析，不僅需要考慮控制電路和柵極驅動電路，還需要考慮電感和其他無源元件的損耗。 然而，在使用了650V SiC MOSFET的圖騰柱PFC中，我們實現了高性能的PFC電路。
儀器儀表論文投稿刊物：《化學傳感器》(季刊)創刊于1981年，是經國家科委批準，中國科學技術協會主管、中國儀器儀表學會主辦的專業科技刊物。本刊的主要任務是交流有關化學傳感器的研制、理論研究、在各個領域的應用、儀器及與微機聯用技術等方面的學術論文，促進化學傳感器在各生產科技部門的普及與推廣應用。
結語
在本文中，我們確認了SiC MOSFET采用具備驅動器源極引腳的低電感表貼封裝所帶來的性能優勢。研究結果表明，尤其是在大電流條件下，由于柵極環路不受dI/dt以及源極引腳電感導致的電壓降的影響，因此采用表貼封裝的產品導通損耗大大降低。 封裝電感的總體減小還使得SiC MOSFET的關斷速度加快。
這兩個優點顯著降低了器件導通和關斷時的開關損耗。 在系統方面，我們已經看到，圖騰柱PFC中采用RDS(ON)為60mΩ的650V SiC MOSFET時的轉換效率超過98%，這將有利于實現非常緊湊的設計，因此可以說，這對于車載充電器等車載應用開發來說非常重要。
作者：羅姆(ROHM)
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