本文摘要：采用具备驱动器源极引脚的低电感表贴封装有利于实现紧凑的设计，这对于车载充电器等车载应用开发来说非常重要。人们普遍认为，SiC MOSFET可以实现非常快的开关速度，有助于降低电力电子领域功率转换过程中的能量损耗。 然而，由于传统功率半导体封装的限制，
采用具备驱动器源极引脚的低电感表贴封装有利于实现紧凑的设计，这对于车载充电器等车载应用开发来说非常重要。人们普遍认为，SiC MOSFET可以实现非常快的开关速度，有助于降低电力电子领域功率转换过程中的能量损耗。 然而，由于传统功率半导体封装的限制，在实际应用中并不能发挥SiC元器件的全部潜力。
在本文中，我们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效果。
功率元器件传统封装形式带来的开关性能限制
TO-247N是应用最广泛的功率晶体管传统封装形式之一。 该器件的每个引脚都存在寄生电感分量。 在这种简单且典型的栅极驱动电路中，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。
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。
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产品阵容更加丰富。 采用TO-263-7L封装可以实现SiC MOSFET源极引脚的开尔文连接，这种封装的优点是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。
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，我们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。
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。 两种封装实现的开关损耗与开关电流之间的关系显示，TO-263-7L封装器件导通速度的提高有助于降低开关损耗，并且在大电流区域效果更加明显。
上文比较数据所示，具有可以连接至栅极驱动环路的驱动器源极引脚可以减小寄生电感的封装，器件性能得以发挥，并且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。
新表贴封装产品的阵容
除了上文提到的1200V/40mΩ产品之外，罗姆产品阵容中还包括额定电压分别为650V和1200V的TO-263-7L封装SiC MOSFET产品。 另外，符合汽车电子产品可靠性标准的车载级产品也在计划中。
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。
图2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较大。
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。 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。 如果希望尽可能获得更出色的性能，那么可以用有源开关(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，我们实施了仿真。 在仿真中，我们对采用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100kHz，我们对高频侧桥臂和低频侧桥臂的半导体损耗都进行了建模。 对于低频桥臂，由于开关损耗的影响极小，因此仅考虑了60mΩ产品的导通损耗。
仿真结果表示最大效率为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模。 当然，为了进行全面分析，不仅需要考虑控制电路和栅极驱动电路，还需要考虑电感和其他无源元件的损耗。 然而，在使用了650V SiC MOSFET的图腾柱PFC中，我们实现了高性能的PFC电路。
仪器仪表论文投稿刊物：《化学传感器》(季刊)创刊于1981年，是经国家科委批准，中国科学技术协会主管、中国仪器仪表学会主办的专业科技刊物。本刊的主要任务是交流有关化学传感器的研制、理论研究、在各个领域的应用、仪器及与微机联用技术等方面的学术论文，促进化学传感器在各生产科技部门的普及与推广应用。
结语
在本文中，我们确认了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产品导通损耗大大降低。 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，我们已经看到，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非常重要。
作者：罗姆(ROHM)
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