【導讀】功率開關器件（如MOSFET, IGBT）廣泛應用于新能源汽車、工業、醫療、交通、消費等行業的電力電子設備中，直接影響著這些電力電子設備的成本和效率。因此，實現更低的開關損耗和更低的導通損耗一直是功率半導體行業的不懈追求。
相較于傳統的硅MOSFET和硅IGBT 產品，基于寬禁帶碳化硅材料設計的碳化硅 MOSFET 具有耐壓高、導通電阻低，開關損耗小的特點，可降低器件損耗、減小產品尺寸，從而提升系統效率。而在實際應用中，我們發現：帶輔助源極管腳的TO-247-4封裝更適合于碳化硅MOSFET這種新型的高頻器件，它可以進一步降低器件的開關損耗，也更有利于分立器件的驅動設計。
圖片
01 TO-247-3與TO-247-4兩種封裝類型介紹
圖1 傳統TO-247-3封裝的MOSFET類型
傳統的TO-247-3封裝的MOSFET類型如圖1所示，其管腳由柵極、漏極和源極構成。從應用角度來看，驅動回路和功率回路共用了源極的管腳。MOSFET是一個電壓型控制的開關器件，其開通關斷行為由施加在柵極和源極之間的電壓（通常稱之為VGS）來決定。
從圖1模型來看，有幾個參數是我們需要特別關注的，因為它對器件的開通關斷行為有著非常大的影響。Rg_ext是用戶可以用來調整分立器件開通關斷的外部電阻，Rg_int是芯片內部的柵極電阻，兩者之和稱為器件的柵極電阻。門極回路雜散電感Ltrace是驅動回路PCB布局時引入的，而雜散電感Lsource則是封裝管腳源極到芯片內部帶來的寄生電感。對于漏極到芯片背面的寄生電感Ldrain并沒有在驅動回路中，因此不在分析的范圍中。
圖2 新的TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET模型
新的TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET模型如圖2所示，我們發現這種封裝的管腳數及其管腳定義發生了很大的變化。相對于TO-247-3，這種封裝多了一個S極管腳，我們將它稱為輔助源極或者開爾文管腳KS(Kelvin Source)。同時，這種封裝形式將驅動回路和主功率回路解耦開，有利于驅動板的布局設計。
下面，我們先從實戰數據的角度來感受一下，TO-247-4這種帶輔助源極管腳的封裝形式對碳化硅MOSFET這種高速功率開關帶來的優勢。
02 從數據的角度去分析共源雜散電感對開關損耗的影響
（1）雙脈沖測試時的重要注意事項---電流探頭的相位校準
對傳統的硅基分立器件（硅IGBT和硅MOSFET），通常是用柔性電流探頭（羅氏線圈）去測試集電極電流或漏極電流。但對于開關速度更快的碳化硅MOSFET，在實際測試過程中，由于柔性電流探頭測試的電流存在一定的延遲時間，從而導致碳化硅MOSFET的開通關斷損耗的測量存在很大的偏差（如圖3所示）。
圖3 漏極電流校準前后波形
由上述波形可知，柔性電流探頭測試的電流波形ID需要進行13.8ns左右的相移校準，才能將電流探頭的相位與電壓探頭的相位之差校準為0，這樣更接近實際的波形，開關損耗值才能更真實。
我們進一步比較漏極電流波形校準前后對開關損耗的影響：
圖4 漏極電流校準前后開關損耗對比波形
表1 電流探頭校準前后的開關損耗統計
由測試數據可知，電流探頭校準前后的開通損耗和關斷損耗相差非常大，因此測試之前很有必要對電流探頭進行校準，避免數據分析誤差過大。
（2）開關損耗參數對比
我們采用雙脈沖的方法來比較一下基本半導體1200V 80mΩ 的碳化硅MOSFET的兩種封裝B1M080120HC（TO-247-3）和B1M080120HK（TO-247-4）在相同條件下的開關損耗差異。
圖5 雙脈沖測試方法及測試條件
圖6 兩種封裝的開關損耗對比
B1M080120HK的開通損耗相對于B1M080120HC有了明顯的下降，關斷損耗也有小幅的下降，整體上來看B1M080120HK的總損耗降低是非常明顯的。因此，采用TO-247-4封裝，對碳化硅MOSFET這種快速開通關斷的器件來說，是非常有吸引力的。
03 TO-247-4輔助源極引腳引入的優勢
下面以基本半導體推出的1200V 80mΩ的碳化硅MOSFET兩種封裝的典型產品B1M080120HC（TO-247-3）和B1M080120HK（TO-247-4）為例，從理論上來解釋TO-247-4中輔助源極管腳的技術邏輯，并解釋兩者開關損耗的差別。
（1）開通過程分析
圖7 MOSFET開通過程分析
在MOSFET器件的開通過程，其模型如圖7所示，其數學模型如下：
以TO-247-3為例，在MOSFET開通過程中，漏極電流ID迅速上升，較高的電流變化率在功率源極雜散電感Lsource上產生正壓降LSource*(dID)/dt（上正下負），該電壓降使得MOSFET芯片上的門極電壓VGS_int在開通的第一瞬間并不是驅動電壓的數值，而是要減掉Lsource上產生的電壓。所以開通瞬間的門極電壓是少了一截的，這導致ID的上升速度減慢，Eon因此而增大。而對于B1M080120HK（TO-247-4），門極回路中沒有大電流穿過，所以沒有來自主功率回路的擾動，芯片的門極能正確地感受到驅動電壓。因此，與B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）開通損耗會更低。
（2）關斷過程分析
圖8 MOSFET關斷過程分析
在MOSFET器件的關斷過程，其模型如圖8所示，其數學模型如下：
以TO-247-3為例，在MOSFET關斷過程中，漏極電流ID迅速下降，較高的電流變化率在功率源極雜散電感Lsource上產生負壓降LSource*(dID)/dt（上負下正），該電壓降使得MOSFET芯片上的門極電壓VGS_int在關斷的第一瞬間并不是驅動電壓的數值，而是要增加Lsource上產生的電壓。所以關斷瞬間的門極電壓是減小比較慢的，這導致ID的下降速度減慢，Eoff因此而增大。而對于B1M080120HK（TO-247-4），門極回路中沒有大電流穿過，所以沒有來自主功率回路的擾動，芯片的門極能正確地感受到驅動電壓。因此，與B1M080120HC（TO-247-3）相比，B1M080120HK（TO-247-4）關斷損耗也會更低。
04 結論
引入了輔助源極管腳成為TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET，避免了驅動回路和功率回路共用源極線路，實現了這兩個回路的解耦。同時，TO-247-4封裝的開關器件由于沒有來自功率源極造成的柵極電壓衰減，使得碳化硅MOSFET（TO-247-4封裝）的開關速度會比TO-247-3封裝的更快，開關損耗更小。
因此，當您在使用碳化硅MOSFET進行新方案設計時，為進一步減小碳化硅MOSFET器件的開關損耗以及便于驅動回路的布局設計，建議選擇TO-247-4封裝的碳化硅MOSFET產品。
基本半導體碳化硅MOSFET產品系列
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