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記得兩年前那會兒，半導體行業(yè)新舊材料迭代、新品研發(fā)和詢價買賣中，問及最多的一個行業(yè)名詞莫過于“開爾文”了，其實早期我就有分享過關于“開爾文電路原理及其應用”的，但只是一個粗略的講解而已。那時在與公司銷售和采購一起出去見客戶給其講解產品品質和基礎應用時，還是會有很多客戶問及到這個，所以今天我們就詳細聊一下開爾文接法（Kelvin connection）在電力電子中的應用和其特點及優(yōu)勢。

“開爾文”這個名字，大家應該并不陌生，高中物理應該都需學過，開爾文（Kelvins）為熱力學溫標或稱絕對溫標，是國際單位制中的溫度單位，符號為K。開爾文溫度和我們習慣使用的攝氏溫度相差一個常數273.15，即T=t+273.15（t是攝氏溫度）。開爾文是以英國工程師和物理學家開爾文勛爵（威廉·湯姆森）名字定義的。

今天我們要談的開爾文接法和這個熱力學溫度單位沒有關系，但是卻和這位物理學家有關。故事源于威廉·湯姆森在1862年利用單臂電橋測量小電阻時，遇到的一些問題。他發(fā)現引線電阻和連接點處的接觸電阻超過了被測電阻值，導致測量結果誤差非常大。然后，他發(fā)明了一種橋式電路測量方法，解決了該問題，此電路被稱為湯姆孫電橋，后因他晉封為開爾文勛爵，故又稱開爾文電橋。

開爾文電橋的測量原理如下圖所示，其中R為待測電阻，Rl為測量線纜的電阻。首先通過一個激勵電流源給待測電阻R通入一個恒定電流I1，然后再測量電阻R上的電壓，根據歐姆定律就可以計算出待測電阻值。該方法測量精度高的原因是因為測量回路是電壓表，阻抗很高，回路電流I2基本為0。激勵源電流I1基本沒有任何分流的通過來待測電阻R，只要電流源和電壓表足夠精確，計算出的電阻值也是很準確的。

這種將測量回路和激勵源回路分開的四線接法，也稱為開爾文接法。為了體現這種接法的優(yōu)勢，讓我們再看看平常我們使用的萬用表測量電阻原理。萬用表內部一般會有一個電壓源或電流源，當給待測電阻一個電流源時，測量電壓就可以計算出電阻。相反，當給一個電壓源時，測量電流也可以計算出待測電阻。下圖為第一種方案，可以看出通過電壓表和電流源計算出的電阻包含了線纜（表筆）電阻，這種接法就是兩線式接法。兩線式接法適合測量歐姆級別以上的電阻，對于毫歐級電阻就無能為力了，因為表筆的電阻還有接觸電阻都有可能超過待測電阻。

通過對比可知，開爾文接法測量電阻的精度要遠高于我們常用的兩線式測量方法，主要是因為開爾文接法將測量回路和激勵源回路進行了解耦處理，消除了線纜電阻和接觸電阻對待測電阻的影響。

大家明白了開爾文接法后，讓我們回到主題，看看開爾文接法在電力電子中有哪些應用？

一、 高精度電流測量

電力電子應用中的電流測量方法有很多種，在這里我們主要說一下電阻采樣法。通過電阻測量電流具有結構簡單、易實現、成本低、高帶寬的優(yōu)點。一般來說，測量中小電流的稱為電阻（阻值大，歐姆級別），測量大電流的電阻稱為分流器（阻值小，毫歐級別）。由于分流器電阻很小，因此PCB焊接，布線，都會影響電流的測量。對于常規(guī)的2引腳的分流器電阻需要通過PCB布線實現開爾文連接，如下圖所示：

對于一些精度要求較高的應用，制造商提供了帶有四個端子的分流器，在器件內實現開爾文連接，如下圖4所示，這樣我們將兩個端子的線引出即可。

二、 功率半導體器件封裝設計

我們所熟知的功率半導體器件IGBT或MOSFET都是三端口器件，門極（柵極）、集電極（漏極）和發(fā)射極（源極），然而實際的器件并不全是3個引腳的，有些器件會有4個引腳，多出來的那個引腳一般就是開爾文發(fā)射極（源極），也稱為驅動發(fā)射極（源極）。

在這里我們以TO247封裝為例，來聊一下是開爾文發(fā)射極（源極）的作用。下圖為CREE新推出的兩個SiC MOSFET器件，電壓和電流等級都一樣，封裝有所不同。

兩種器件封裝的等效電路如下圖所示，其中Ls1為mos內部芯片源極至外部引腳功率源極S的雜散電感，一般在10nH以內。細心的小伙伴可能會發(fā)現在TO247-4封裝的開爾文源極也有寄生電感啊，你為什么沒有畫出來？是的沒錯，這個電感確實是存在的，但這個電感對MOS的開關過程基本沒什么影響，至于為什么后面會講到。

讓我們先看一下寄生電感Ls對TO247-3封裝器件開關暫態(tài)的影響。SiC MOSFET開通和關斷暫態(tài)漏極電流ID在寄生電感Ls上的感應電壓方向如下圖所示：

開通暫態(tài)，漏極電流ID會在雜散電感Ls1產生上正下負的瞬態(tài)電壓；關斷暫態(tài)，漏極電流ID在雜散電感會產生上負下正的瞬態(tài)電壓。這兩個瞬態(tài)電壓VLs會減小真實的柵-源電壓VGSint。

例如在開通過程中，如果柵極開通Vgon為15V，開通電流上升率為1A/ns，寄生電感Ls1為5nH，當忽略柵極電阻電壓時，真實的柵-源電壓VGSint只有10V。開關暫態(tài)SIC MOSFET芯片內部柵-源電壓更詳細的公式如下：

讓我們再看看TO247-4封裝的SiC MOSFET，見下圖。雖然漏極電流還會在電感Ls1上產生電壓，但該電壓根本影響不到柵極驅動回路。柵極電流雖然也會在開爾文源極的雜散電感Ls2產生電壓，但是這個電流和漏極電流還不是一個數量級，而且柵極電流變化較快的時候，器件還沒有開通，因此這個電感對柵極驅動影響很小，可以忽略。

通過對比兩種封裝的開關暫態(tài)可知，具有開爾文源極的器件開關速度會更快，損耗會更小，效率自然也會更高。大家不要小看這么小的雜散電感，它帶來的影響還是很大的。下圖為ROHM公司采用兩種不同封裝但芯片一樣的SiC MOSFET的開關損耗對比結果?？梢钥闯鼍哂虚_爾文端子的器件開關損耗有明顯改善，而且電流越大時效果也會越明顯。

看到這里大家應該都明白了：開爾文源極可以將驅動回路和功率回路有效解耦，這樣功率側電流的變化就不會影響到柵極驅動回路了，是不是和開爾文測量電流的原理有異曲同工之處？雖然具有開爾文端子的器件相比普通的封裝效率更高，但也有缺點，例如由于關斷速度快，尖峰自然也會更高一些，當發(fā)生短路時，器件的耐受能力也會更低一些，至于為什么大家可以去分析一下。下面我們還是就以ROHM這家公司有開爾文源極引腳的產品為例給大家具體講講吧：

ROHM Semiconductor SiC（碳化硅）4引腳溝槽式MOSFET采用TO-247-4L封裝，具有獨立的電源和驅動器源極引腳，消除了源極引腳的電感，提供更快的開關速度。與傳統(tǒng)的硅解決方案相比，SiC MOSFET還具有更低的導通電阻和更快的恢復速度。這些SiC溝槽式MOSFET有650V和1200V兩種型號，是服務器電源、太陽能逆變器和電動汽車充電樁的理想選擇。

這些分立SiC MOSFET的TO-246封裝上具有開爾文源極引腳，將柵極驅動回路與電源端子分開。因此，由于源電流的上升，導通過程不會因電壓下降而減慢，從而顯著降低導通損耗。

我們再來看英飛凌（infineon）的新型封裝采用開爾文源極概念：TO-247-4 引腳封裝隨著新一代電源開關的速度越來越快，封裝和電路板寄生元件的影響越來越限制系統(tǒng)的整體性能?？朔@一問題的有效措施是，提供到源極的附加連接 (開爾文連接)，其用作柵極驅動電壓的參考電勢，從而消除電壓降對源極電感的影響。事實上，因更快速的開關瞬變可提高的效率可能很顯著。

英飛凌提供 TO-247 4 引腳 與 600V 和 650V CoolMOS? C7超結 (SJ) MOSFET 相結合。通過 600V CoolMOS? P6 超結 MOSFET，英飛凌推出了標準 TO-247 4 引腳封裝的改進版本。TO-247 4 引腳帶有非對稱引線，可以增加關鍵引線之間爬電距離，使得波峰焊接更加順暢，并降低電路板的產量損失。

1、特性

?第 4 引腳功能啟用開爾文源極連接；

?高電壓引腳之間的爬電距離增加；

?柵極信號優(yōu)化；

?非對稱引線增加關鍵引腳的距離。

2、優(yōu)勢

?降低柵極電路上的寄生源極電感效應，實現更快的切換，并提高效率；

?利用開爾文源極效率的優(yōu)勢,提高 MOSFET RDS(on)，并降低 BOM 成本；

?爬電距離滿足 5000 米海拔高度的要求；

?更易于客戶設計；

?能夠簡化波峰焊接，并改善電路板的產量損失；

如果在 4 引腳和 3 引腳封裝中使用相同的管芯，可以實現 0.6% 滿載效率的性能增益。

4 引腳器件的滿載損耗降低可實現下一個“更小”的 MOSFET (60mΩ，而非45mΩ)，從而能夠以更好的低負載效率降低 BOM 成本。

?隔離式驅動器1EDI60N12AF 類似于高邊開關設置，可實現開爾文源極的浮動；

?由于驅動器隔離，控制電路中沒有位移電流；

?靈活的驅動器供應：隔離式和非隔離式均可使用；

?由于參考電源接地的源極電感出現感應電壓尖峰而導致開爾文源極引腳振蕩；

?MOSFET 看上去類似半橋中的高側開關；

?初級至次級驅動器隔離消除對柵極信號的影響；

三、寫在最后面的話

總結起來，采用了TO-247-4L 這種Kelvin連接封裝，有如下三方面優(yōu)點：

1、有助于提高MOSFET開關速度

MOSFET導通時由于源級焊線產生的寄生電感的存在，會產生反向的感應電壓，該電壓降低了通過柵極和源極的電壓。導通后柵極電壓的下降，降低了導通速度。而在TO-247-4L封裝中，通過MOSFET的VGS電壓幾乎等于驅動電壓。故與TO-247-3L封裝相比，TO-247-4L封裝更有助于提高MOSFET開關速度。

2、可以降低導通損耗

相比于TO-247-3L，由于TO-247-4L封裝開關速度更快，開關損耗大幅度降低，器件的開關速度越快Kelvin引腳帶來的好處就越多。大多數半導體公司的600V/21mΩ產品為例，Eon減少了44%，Eoff減少了52% 。

3、有助于抑制柵極振蕩

相比于TO-247-3L，由于TO-247-4L封裝中寄生電感的減小，其柵極振蕩幅度更小。

最后，再給小伙伴們看個大家伙，加深一下對功率器件開爾文端子的認識，下圖為ABB 4.5kV 1.2kA的IGBT模塊，對外一共有9個端子，其中功率端子C和E各3個，是為了增大電流而設計的，輔助集電極端子c用于短路退飽和檢測，門極g和開爾文輔助發(fā)射極e用來控制IGBT開通和關斷。

好了，這次關于半導體開爾文（Kelvin）源極橋式電路就給大家分享到這里吧，通過自己目前從事的半導體工作和自己在市場上的應用能想到的就這些了，如有不正確或是遺漏的地方還希望大家能給我評論或是私信指出，我將不勝感激！

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