采用具有驱动器源极引脚的低电感表贴封装的SiC MOSFET

2021年1月26日

引言

人们普遍认为,SiC MOSFET可以实现非?斓目厮俣龋兄谙灾档偷缌Φ缱恿煊蚬β首还讨械哪芰克鸷摹H欢捎诖彻β拾氲继宸庾暗南拗疲谑导视τ弥胁⒉蛔苁悄芊⒒覵iC元器件的全部潜力。在本文中,大发注册网址首先讨论传统封装的一些局限性,然后介绍采用更好的封装形式所带来的好处。最后,展示对使用了图腾柱(Totem-Pole)拓扑的3.7kW单相PFC进行封装改进后获得的改善效果。

功率元器件传统封装形式带来的开关性能限制

TO-247N(图1)是应用最广泛的功率晶体管传统封装形式之一。如图1左侧所示,该器件的每个引脚都存在寄生电感分量。图1右侧是非常简单且典型的栅极驱动电路示例。从这些图中可以看出,漏极引脚和源极引脚的电感分量会被加到主电流开关电路中,这些电感会导致器件在关断时产生过电压,因此要想确保过电压的数值满足漏极-源极间技术规格的要求,就需要限制器件的开关速度。

图1:功率元器件的传统封装及其寄生电感
图1:功率元器件的传统封装及其寄生电感

栅极引脚和源极引脚的寄生电感是栅极驱动电路中的一部分,因此在驱动MOSFET时需要考虑这部分电感。此外,这部分电感还可能会与栅极驱动电路中的寄生电容之间发生振荡。当MOSFET导通时,ID增加,并且在源极引脚的电感(LS)中产生电动势(VLS)。而栅极引脚中则流入电流(IG),并且因栅极电阻(RG)而发生电压降。由于这些电压包含在栅极驱动电路中,因此它们会使MOSFET导通所需的栅极电压降低,从而导致导通速度变慢,见图2。

图2:LS导致芯片中的VGS降低(导通时)
图2:LS导致芯片中的VGS降低(导通时)

解决这种问题的方法之一是采用具备“驱动器源极”引脚的功率元器件封装。通过配备将源极引脚和栅极驱动环路分开的驱动器源极引脚,可以消除导通时的源极电感(LS)对栅极电压的影响,因此不会因电压降而降低导通速度,从而可以大大减少导通损耗。

TO-263-7L带来的开关性能改善

除了TO-247-4L封装外,罗姆还开发出采用TO-263-7L表贴封装,使分立SiC MOSFET大发注册网址阵容更加丰富。采用TO-263-7L封装可以实现SiC MOSFET源极引脚的开尔文连接,这种封装的优点如图3所示。从图中可以看出,栅极驱动相关的部分和主电流路径不再共享主源极侧的电感LS。因此,可以使器件的导通速度更快,损耗更小。

图3:TO-263-7L表贴封装及其寄生电感
图3:TO-263-7L表贴封装及其寄生电感

采用TO-263-7L封装的另一个优点是漏极引脚和源极引脚的电感比TO-247N封装小得多。由于漏极引脚的接合面积大,另外源极引脚可以由多根短引线并联连接组成,因此可以降低封装的电感(LD或LS)。为了量化新封装形式带来的元器件性能改进程度,大发注册网址比较了采用两种不同封装的相同SiC MOSFET芯片的导通和关断时的开关动作(图4)。

图4:1200V/40mΩ SiC MOSFET的开关动作比较
图4:1200V/40mΩ SiC MOSFET的开关动作比较
(TO-247N:SCT3040KL、TO-263-7L:SCT3040KW7、VDS=800V)

导通时的开关瞬态曲线表明,采用三引脚封装(TO-247N)的“SCT3040KL”的开关速度受到限制,其中一个原因是源极引脚的电动势使有效栅极电压降低,导致电流变化时间变长,从而造成导通损耗增加。而对于采用具备驱动器源极的表贴封装(TO-263-7L)的“SCT3040KW7”来说,电流变化时间则变得非常短,因此可以减少导通损耗。另外,由于寄生电感减少,因此采用TO-263-7L封装的SiC MOSFET在关断时的dI/dt要高得多,因此关断损耗也小于TO-247N封装。

下图展示了两种封装实现的开关损耗与开关电流之间的关系。显然,TO-263-7L封装器件导通速度的提高有助于降低开关损耗,尤其是在大电流区域效果更加明显。

图5:采用TO-247N封装和TO-263-7L封装的1200V/40mΩ SiC MOSFET的开关损耗比较
图5:采用TO-247N封装和TO-263-7L封装的1200V/40mΩ SiC MOSFET的开关损耗比较
【栅极驱动电路:使用了米勒钳位(MC)和浪涌钳位用的肖特基势垒二极管(SBD)】

如上述比较数据所示,具有可以连接至栅极驱动环路的驱动器源极引脚,并可以减小寄生电感的封装,器件性能得以发挥,特别是在大电流区域中发挥得更好。所以,在相同的开关频率下器件总损耗更小;另外,如果降低损耗不是主要目标,则还可以增加器件的开关频率。

新表贴封装大发注册网址的阵容

除了上文提到的1200V/40mΩ大发注册网址之外,罗姆大发注册网址阵容中还包括额定电压分别为650V和1200V 的TO-263-7L 封装SiC MOSFET大发注册网址(表1)。另外,符合汽车电子大发注册网址可靠性标准的车载级大发注册网址也在计划中。

  P/N 30mΩ 40mΩ 60mΩ 80mΩ 105mΩ 120mΩ 160mΩ
650 V SCT30xxAW7      
1200 V SCT30xxKW7      

表1: TO-263-7L封装的沟槽SiC MOSFET大发注册网址阵容

表贴封装SiC MOSFET在车载充电器(OBC)中的适用性

本文将以一个3.7kW单相PFC的电路为应用案例来说明表贴封装SiC MOSFET能够实现的性能。这种功率级单相PFC可用作单相3.7kW车载充电器的输入级,或用作11kW车载充电系统的构件。在后一种情况下,将三个单相PFC通过开关矩阵相组合,可以实现单相驱动或最大11kW的三相驱动。该应用案例框图参见图6。

图6:多个3.7kW PFC组成的11kW OBC框图
图6:多个3.7kW PFC组成的11kW OBC框图

图7中包括几种可应用的PFC电路拓扑结构。传统升压PFC的输入端存在二极管整流电路,因此其效率提升受到限制。两相无桥PFC以及图腾柱PFC可以削减二极管整流电路,从而可以降低总传导损耗。但是需要注意的是,两相无桥PFC虽然可实现高效率,却存在每个桥臂仅在一半输入周期内使用的缺点,因此每个器件的峰值电流与电流有效值之比(即所谓的“波峰因数”)增高,使功率半导体上的功率循环压力很大。

图7:单相PFC的概念图
图7:单相PFC的概念图

图腾柱PFC有两种不同的类型。最简单的类型仅包含两个MOSFET和两个二极管。由于二极管在低频下开关,因此选择具有低正向压降的器件。另一方面,由于MOSFET中的体二极管用于换流,因此选择体二极管特性出色的器件是非常重要的。此外,新型宽带隙半导体(比如SiC MOSFET)具有支持硬开关的体二极管,因此非常适用于这类应用。最后,如果希望尽可能获得更出色的性能,那么可以用有源开关(比如SJ MOSFET)来替代低频开关二极管,以进一步降低损耗。

为了展示利用图腾柱PFC可以实现的几种性能,大发注册网址实施了仿真。在仿真中,大发注册网址对采用TO-263-7L 封装的650V/60mΩ SiC MOSFET 的开关损耗测量值进行了验证。假设开关频率为100 kHz,大发注册网址对高频侧桥臂和低频侧桥臂的半导体损耗都进行了建●!6杂诘推登疟郏捎诳厮鸷牡挠跋旒。虼私隹悸橇60mΩ大发注册网址的导通损耗。

仿真结果如图8所示。从图中可以看出,最大效率为98.7%,出现在60%的标称输出功率附近。该阶段的其他损耗没有建●!5比唬私腥娣治觯唤鲂枰悸强刂频缏泛驼ぜ缏罚剐枰悸堑绺泻推渌拊丛乃鸷摹H欢苊飨裕谑褂昧650V SiC MOSFET的图腾柱PFC中,可以实现高性能的PFC电路。

图8:仅考虑半导体损耗的图腾柱PFC的估算效率
图8:仅考虑半导体损耗的图腾柱PFC的估算效率
(Vin = 230V,Vout = 400V,fSW = 100 kHz,高频侧桥臂:SCT3060AW7,低频侧桥臂:60m?大发注册网址)

结语

在本文中,大发注册网址确认了SiC MOSFET采用具备驱动器源极引脚的低电感表贴封装所带来的性能优势。研究结果表明,尤其是在大电流条件下,由于栅极环路不受dI/dt以及源极引脚电感导致的电压降的影响,因此采用表贴封装的大发注册网址导通损耗大大降低。封装电感的总体减小还使得SiC MOSFET的关断速度加快。这两个优点显著降低了器件导通和关断时的开关损耗。在系统方面,大发注册网址已经看到,图腾柱PFC中采用RDS(ON)为60mΩ的650V SiC MOSFET时的转换效率超过98%,这将有利于实现非常紧凑的设计,因此可以说,这对于车载充电器等车载应用开发来说是非常重要的关键点。关于更多罗姆的 SiC MOSFET信息,请查看:
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