【博主簡介】本人“愛在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

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

“開爾文”這個(gè)名字，大家應(yīng)該并不陌生，高中物理應(yīng)該都需學(xué)過，開爾文（Kelvins）為熱力學(xué)溫標(biāo)或稱絕對溫標(biāo)，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(xí)慣使用的攝氏溫度相差一個(gè)常數(shù)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(xué)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(gè)熱力學(xué)溫度單位沒有關(guān)系，但是卻和這位物理學(xué)家有關(guān)。故事源于威廉·湯姆森在1862年利用單臂電橋測量小電阻時(shí)，遇到的一些問題。他發(fā)現(xiàn)引線電阻和連接點(diǎn)處的接觸電阻超過了被測電阻值，導(dǎo)致測量結(jié)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(gè)激勵(lì)電流源給待測電阻R通入一個(gè)恒定電流I1，然后再測量電阻R上的電壓，根據(jù)歐姆定律就可以計(jì)算出待測電阻值。該方法測量精度高的原因是因?yàn)闇y量回路是電壓表，阻抗很高，回路電流I2基本為0。激勵(lì)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(jì)算出的電阻值也是很準(zhǔn)確的。

這種將測量回路和激勵(lì)源回路分開的四線接法，也稱為開爾文接法。為了體現(xiàn)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(nèi)部一般會有一個(gè)電壓源或電流源，當(dāng)給待測電阻一個(gè)電流源時(shí)，測量電壓就可以計(jì)算出電阻。相反，當(dāng)給一個(gè)電壓源時(shí)，測量電流也可以計(jì)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(jì)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?yàn)楸砉P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(yuǎn)高于我們常用的兩線式測量方法，主要是因?yàn)殚_爾文接法將測量回路和激勵(lì)源回路進(jìn)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(yīng)用？

一、 高精度電流測量

電力電子應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、成本低、高帶寬的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)開爾文連接，如下圖所示：

對于一些精度要求較高的應(yīng)用，制造商提供了帶有四個(gè)端子的分流器，在器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)開爾文連接，如下圖4所示，這樣我們將兩個(gè)端子的線引出即可。

二、 功率半導(dǎo)體器件封裝設(shè)計(jì)

我們所熟知的功率半導(dǎo)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(shí)際的器件并不全是3個(gè)引腳的，有些器件會有4個(gè)引腳，多出來的那個(gè)引腳一般就是開爾文發(fā)射極（源極），也稱為驅(qū)動(dòng)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(gè)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(nèi)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(nèi)。細(xì)心的小伙伴可能會發(fā)現(xiàn)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(cuò)，這個(gè)電感確實(shí)是存在的，但這個(gè)電感對MOS的開關(guān)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(guān)暫態(tài)的影響。SiC MOSFET開通和關(guān)斷暫態(tài)漏極電流ID在寄生電感Ls上的感應(yīng)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(chǎn)生上正下負(fù)的瞬態(tài)電壓；關(guān)斷暫態(tài)，漏極電流ID在雜散電感會產(chǎn)生上負(fù)下正的瞬態(tài)電壓。這兩個(gè)瞬態(tài)電壓VLs會減小真實(shí)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(dāng)忽略柵極電阻電壓時(shí)，真實(shí)的柵-源電壓VGSint只有10V。開關(guān)暫態(tài)SIC MOSFET芯片內(nèi)部柵-源電壓更詳細(xì)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(chǎn)生電壓，但該電壓根本影響不到柵極驅(qū)動(dòng)回路。柵極電流雖然也會在開爾文源極的雜散電感Ls2產(chǎn)生電壓，但是這個(gè)電流和漏極電流還不是一個(gè)數(shù)量級，而且柵極電流變化較快的時(shí)候，器件還沒有開通，因此這個(gè)電感對柵極驅(qū)動(dòng)影響很小，可以忽略。

通過對比兩種封裝的開關(guān)暫態(tài)可知，具有開爾文源極的器件開關(guān)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(guān)損耗對比結(jié)果?？梢钥闯鼍哂虚_爾文端子的器件開關(guān)損耗有明顯改善，而且電流越大時(shí)效果也會越明顯。

看到這里大家應(yīng)該都明白了：開爾文源極可以將驅(qū)動(dòng)回路和功率回路有效解耦，這樣功率側(cè)電流的變化就不會影響到柵極驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，例如由于關(guān)斷速度快，尖峰自然也會更高一些，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，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(chǎn)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(dú)立的電源和驅(qū)動(dòng)器源極引腳，消除了源極引腳的電感，提供更快的開關(guān)速度。與傳統(tǒng)的硅解決方案相比，SiC MOSFET還具有更低的導(dǎo)通電阻和更快的恢復(fù)速度。這些SiC溝槽式MOSFET有650V和1200V兩種型號，是服務(wù)器電源、太陽能逆變器和電動(dòng)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(qū)動(dòng)回路與電源端子分開。因此，由于源電流的上升，導(dǎo)通過程不會因電壓下降而減慢，從而顯著降低導(dǎo)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(guān)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(qū)動(dòng)電壓的參考電勢，從而消除電壓降對源極電感的影響。事實(shí)上，因更快速的開關(guān)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(jié) (SJ) MOSFET 相結(jié)合。通過 600V CoolMOS? P6 超結(jié) MOSFET，英飛凌推出了標(biāo)準(zhǔn) TO-247 4 引腳封裝的改進(jìn)版本。TO-247 4 引腳帶有非對稱引線，可以增加關(guān)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(chǎn)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(guān)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(yīng)，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)；

?能夠簡化波峰焊接，并改善電路板的產(chǎn)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(shí)現(xiàn) 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(shí)現(xiàn)下一個(gè)“更小”的 MOSFET (60mΩ，而非45mΩ)，從而能夠以更好的低負(fù)載效率降低 BOM 成本。

?隔離式驅(qū)動(dòng)器1EDI60N12AF 類似于高邊開關(guān)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)開爾文源極的浮動(dòng)；

?由于驅(qū)動(dòng)器隔離，控制電路中沒有位移電流；

?靈活的驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)：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(xiàn)感應(yīng)電壓尖峰而導(dǎo)致開爾文源極引腳振蕩；

?MOSFET 看上去類似半橋中的高側(cè)開關(guān)；

?初級至次級驅(qū)動(dòng)器隔離消除對柵極信號的影響；

三、寫在最后面的話

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

1、有助于提高M(jìn)OSFET開關(guān)速度

MOSFET導(dǎo)通時(shí)由于源級焊線產(chǎn)生的寄生電感的存在，會產(chǎn)生反向的感應(yīng)電壓，該電壓降低了通過柵極和源極的電壓。導(dǎo)通后柵極電壓的下降，降低了導(dǎo)通速度。而在TO-247-4L封裝中，通過MOSFET的VGS電壓幾乎等于驅(qū)動(dòng)電壓。故與TO-247-3L封裝相比，TO-247-4L封裝更有助于提高M(jìn)OSFET開關(guān)速度。

2、可以降低導(dǎo)通損耗

相比于TO-247-3L，由于TO-247-4L封裝開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗大幅度降低，器件的開關(guān)速度越快Kelvin引腳帶來的好處就越多。大多數(shù)半導(dǎo)體公司的600V/21mΩ產(chǎn)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(gè)大家伙，加深一下對功率器件開爾文端子的認(rèn)識，下圖為ABB 4.5kV 1.2kA的IGBT模塊，對外一共有9個(gè)端子，其中功率端子C和E各3個(gè)，是為了增大電流而設(shè)計(jì)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(guān)斷。

好了，這次關(guān)于半導(dǎo)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(dǎo)體工作和自己在市場上的應(yīng)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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