TO-247封装碳化硅MOSFET引入辅助源极管脚的必要性

前 言

相较于传统的硅MOSFET和硅IGBT 产品，基于宽禁带碳化硅材料设计的碳化硅 MOSFET 具有耐压高、导通电阻低，开关损耗小的特点，可降低器件损耗、减小产品尺寸，从而提升系统效率。而在实际应用中，我们发现：带辅助源极管脚的TO-247-4封装更适合于碳化硅MOSFET这种新型的高频器件，它可以进一步降低器件的开关损耗，也更有利于分立器件的驱动设计。

图1 传统TO-247-3封装的MOSFET类型

传统的TO-247-3封装的MOSFET类型如图1所示，其管脚由栅极、漏极和源极构成。从应用角度来看，驱动回路和功率回路共用了源极的管脚。MOSFET是一个电压型控制的开关器件，其开通关断行为由施加在栅极和源极之间的电压（通常称之为V_GS）来决定。

从图1模型来看，有几个参数是我们需要特别关注的，因为它对器件的开通关断行为有着非常大的影响。Rg_ext是用户可以用来调整分立器件开通关断的外部电阻，Rg_int是芯片内部的栅极电阻，两者之和称为器件的栅极电阻。门极回路杂散电感Ltrace是驱动回路PCB布局时引入的，而杂散电感Lsource则是封装管脚源极到芯片内部带来的寄生电感。对于漏极到芯片背面的寄生电感Ldrain并没有在驱动回路中，因此不在分析的范围中。

图2 新的TO-247-4封装的碳化硅MOSFET模型

新的TO-247-4封装的碳化硅MOSFET模型如图2所示，我们发现这种封装的管脚数及其管脚定义发生了很大的变化。相对于TO-247-3，这种封装多了一个S极管脚，我们将它称为辅助源极或者开尔文管脚KS(Kelvin Source)。同时，这种封装形式将驱动回路和主功率回路解耦开，有利于驱动板的布局设计。

下面，我们先从实战数据的角度来感受一下，TO-247-4这种带辅助源极管脚的封装形式对碳化硅MOSFET这种高速功率开关带来的优势。

对传统的硅基分立器件（硅IGBT和硅MOSFET），通常是用柔性电流探头（罗氏线圈）去测试集电极电流或漏极电流。但对于开关速度更快的碳化硅MOSFET，在实际测试过程中，由于柔性电流探头测试的电流存在一定的延迟时间，从而导致碳化硅MOSFET的开通关断损耗的测量存在很大的偏差（如图3所示）。

图3 漏极电流校准前后波形

由上述波形可知，柔性电流探头测试的电流波形I_D需要进行13.8ns左右的相移校准，才能将电流探头的相位与电压探头的相位之差校准为0，这样更接近实际的波形，开关损耗值才能更真实。

我们进一步比较漏极电流波形校准前后对开关损耗的影响：

表1 电流探头校准前后的开关损耗统计

由测试数据可知，电流探头校准前后的开通损耗和关断损耗相差非常大，因此测试之前很有必要对电流探头进行校准，避免数据分析误差过大。

（2）开关损耗参数对比

我们采用双脉冲的方法来比较一下1200V 80mΩ 的碳化硅MOSFET的两种封装B1M080120HC（TO-247-3）和B1M080120HK（TO-247-4）在相同条件下的开关损耗差异。

图5 双脉冲测试方法及测试条件

图6 两种封装的开关损耗对比

B1M080120HK的开通损耗相对于B1M080120HC有了明显的下降，关断损耗也有小幅的下降，整体上来看B1M080120HK的总损耗降低是非常明显的。因此，采用TO-247-4封装，对碳化硅MOSFET这种快速开通关断的器件来说，是非常有吸引力的。

下面以推出的1200V 80mΩ的碳化硅MOSFET两种封装的典型产品B1M080120HC（TO-247-3）和B1M080120HK（TO-247-4）为例，从理论上来解释TO-247-4中辅助源极管脚的技术逻辑，并解释两者开关损耗的差别。

（1）开通过程分析

在MOSFET器件的开通过程，其模型如图7所示，其数学模型如下：

以TO-247-3为例，在MOSFET开通过程中，漏极电流I_D迅速上升，较高的电流变化率在功率源极杂散电感L_source上产生正压降L_Source*(dI_D)/d_t（上正下负），该电压降使得MOSFET芯片上的门极电压V_{GS_int}在开通的第一瞬间并不是驱动电压的数值，而是要减掉L_source上产生的电压。所以开通瞬间的门极电压是少了一截的，这导致I_D的上升速度减慢，Eon因此而增大。而对于B1M080120HK（TO-247-4），门极回路中没有大电流穿过，所以没有来自主功率回路的扰动，芯片的门极能正确地感受到驱动电压。因此，与B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）开通损耗会更低。

（2）关断过程分析

图8 MOSFET关断过程分析

在MOSFET器件的关断过程，其模型如图8所示，其数学模型如下：

以TO-247-3为例，在MOSFET关断过程中，漏极电流I_D迅速下降，较高的电流变化率在功率源极杂散电感L_source上产生负压降L_Source*(dI_D)/d_t（上负下正），该电压降使得MOSFET芯片上的门极电压V_{GS_int}在关断的第一瞬间并不是驱动电压的数值，而是要增加L_source上产生的电压。所以关断瞬间的门极电压是减小比较慢的，这导致I_D的下降速度减慢，Eoff因此而增大。而对于B1M080120HK（TO-247-4），门极回路中没有大电流穿过，所以没有来自主功率回路的扰动，芯片的门极能正确地感受到驱动电压。因此，与B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）关断损耗也会更低。

引入了辅助源极管脚成为TO-247-4封装的碳化硅MOSFET，避免了驱动回路和功率回路共用源极线路，实现了这两个回路的解耦。同时，TO-247-4封装的开关器件由于没有来自功率源极造成的栅极电压衰减，使得碳化硅MOSFET（TO-247-4封装）的开关速度会比TO-247-3封装的更快，开关损耗更小。

因此，当您在使用碳化硅MOSFET进行新方案设计时，为进一步减小碳化硅MOSFET器件的开关损耗以及便于驱动回路的布局设计，建议选择TO-247-4封装的碳化硅MOSFET产品。

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