关于半导体“源极桥式电路-开尔文接法（Kelvin connection）”的详解-电子发烧友网

【博主简介】本人“爱在七夕时”，系一名半导体行业质量管理从业者，旨在业余时间不定期的分享半导体行业中的：产品质量、失效分析、可靠性分析和产品基础应用等相关知识。常言：真知不问出处，所分享的内容如有雷同或是不当之处，还请大家海涵。当前在各网络平台上均以此昵称为ID跟大家一起交流学习！

记得两年前那会儿，半导体行业新旧材料迭代、新品研发和询价买卖中，问及最多的一个行业名词莫过于“开尔文”了，其实早期我就有分享过关于“开尔文电路原理及其应用”的，但只是一个粗略的讲解而已。那时在与公司销售和采购一起出去见客户给其讲解产品品质和基础应用时，还是会有很多客户问及到这个，所以今天我们就详细聊一下开尔文接法（Kelvin connection）在电力电子中的应用和其特点及优势。

“开尔文”这个名字，大家应该并不陌生，高中物理应该都需学过，开尔文（Kelvins）为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位，符号为K。开尔文温度和我们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即T=t+273.15（t是摄氏温度）。开尔文是以英国工程师和物理学家开尔文勋爵（威廉·汤姆森）名字定义的。

今天我们要谈的开尔文接法和这个热力学温度单位没有关系，但是却和这位物理学家有关。故事源于威廉·汤姆森在1862年利用单臂电桥测量小电阻时，遇到的一些问题。他发现引线电阻和连接点处的接触电阻超过了被测电阻值，导致测量结果误差非常大。然后，他发明了一种桥式电路测量方法，解决了该问题，此电路被称为汤姆孙电桥，后因他晋封为开尔文勋爵，故又称开尔文电桥。

开尔文电桥的测量原理如下图所示，其中R为待测电阻，Rl为测量线缆的电阻。首先通过一个激励电流源给待测电阻R通入一个恒定电流I1，然后再测量电阻R上的电压，根据欧姆定律就可以计算出待测电阻值。该方法测量精度高的原因是因为测量回路是电压表，阻抗很高，回路电流I2基本为0。激励源电流I1基本没有任何分流的通过来待测电阻R，只要电流源和电压表足够精确，计算出的电阻值也是很准确的。

这种将测量回路和激励源回路分开的四线接法，也称为开尔文接法。为了体现这种接法的优势，让我们再看看平常我们使用的万用表测量电阻原理。万用表内部一般会有一个电压源或电流源，当给待测电阻一个电流源时，测量电压就可以计算出电阻。相反，当给一个电压源时，测量电流也可以计算出待测电阻。下图为第一种方案，可以看出通过电压表和电流源计算出的电阻包含了线缆（表笔）电阻，这种接法就是两线式接法。两线式接法适合测量欧姆级别以上的电阻，对于毫欧级电阻就无能为力了，因为表笔的电阻还有接触电阻都有可能超过待测电阻。

通过对比可知，开尔文接法测量电阻的精度要远高于我们常用的两线式测量方法，主要是因为开尔文接法将测量回路和激励源回路进行了解耦处理，消除了线缆电阻和接触电阻对待测电阻的影响。

大家明白了开尔文接法后，让我们回到主题，看看开尔文接法在电力电子中有哪些应用？

一、高精度电流测量

电力电子应用中的电流测量方法有很多种，在这里我们主要说一下电阻采样法。通过电阻测量电流具有结构简单、易实现、成本低、高带宽的优点。一般来说，测量中小电流的称为电阻（阻值大，欧姆级别），测量大电流的电阻称为分流器（阻值小，毫欧级别）。由于分流器电阻很小，因此PCB焊接，布线，都会影响电流的测量。对于常规的2引脚的分流器电阻需要通过PCB布线实现开尔文连接，如下图所示：

对于一些精度要求较高的应用，制造商提供了带有四个端子的分流器，在器件内实现开尔文连接，如下图4所示，这样我们将两个端子的线引出即可。

二、功率半导体器件封装设计

我们所熟知的功率半导体器件IGBT或MOSFET都是三端口器件，门极（栅极）、集电极（漏极）和发射极（源极），然而实际的器件并不全是3个引脚的，有些器件会有4个引脚，多出来的那个引脚一般就是开尔文发射极（源极），也称为驱动发射极（源极）。

在这里我们以TO247封装为例，来聊一下是开尔文发射极（源极）的作用。下图为CREE新推出的两个SiC MOSFET器件，电压和电流等级都一样，封装有所不同。

两种器件封装的等效电路如下图所示，其中Ls1为mos内部芯片源极至外部引脚功率源极S的杂散电感，一般在10nH以内。细心的小伙伴可能会发现在TO247-4封装的开尔文源极也有寄生电感啊，你为什么没有画出来？是的没错，这个电感确实是存在的，但这个电感对MOS的开关过程基本没什么影响，至于为什么后面会讲到。

让我们先看一下寄生电感Ls对TO247-3封装器件开关暂态的影响。SiC MOSFET开通和关断暂态漏极电流ID在寄生电感Ls上的感应电压方向如下图所示：

开通暂态，漏极电流ID会在杂散电感Ls1产生上正下负的瞬态电压；关断暂态，漏极电流ID在杂散电感会产生上负下正的瞬态电压。这两个瞬态电压VLs会减小真实的栅-源电压VGSint。

例如在开通过程中，如果栅极开通Vgon为15V，开通电流上升率为1A/ns，寄生电感Ls1为5nH，当忽略栅极电阻电压时，真实的栅-源电压VGSint只有10V。开关暂态SIC MOSFET芯片内部栅-源电压更详细的公式如下：

让我们再看看TO247-4封装的SiC MOSFET，见下图。虽然漏极电流还会在电感Ls1上产生电压，但该电压根本影响不到栅极驱动回路。栅极电流虽然也会在开尔文源极的杂散电感Ls2产生电压，但是这个电流和漏极电流还不是一个数量级，而且栅极电流变化较快的时候，器件还没有开通，因此这个电感对栅极驱动影响很小，可以忽略。

通过对比两种封装的开关暂态可知，具有开尔文源极的器件开关速度会更快，损耗会更小，效率自然也会更高。大家不要小看这么小的杂散电感，它带来的影响还是很大的。下图为ROHM公司采用两种不同封装但芯片一样的SiC MOSFET的开关损耗对比结果。可以看出具有开尔文端子的器件开关损耗有明显改善，而且电流越大时效果也会越明显。

看到这里大家应该都明白了：开尔文源极可以将驱动回路和功率回路有效解耦，这样功率侧电流的变化就不会影响到栅极驱动回路了，是不是和开尔文测量电流的原理有异曲同工之处？虽然具有开尔文端子的器件相比普通的封装效率更高，但也有缺点，例如由于关断速度快，尖峰自然也会更高一些，当发生短路时，器件的耐受能力也会更低一些，至于为什么大家可以去分析一下。下面我们还是就以ROHM这家公司有开尔文源极引脚的产品为例给大家具体讲讲吧：

ROHM Semiconductor SiC（碳化硅）4引脚沟槽式MOSFET采用TO-247-4L封装，具有独立的电源和驱动器源极引脚，消除了源极引脚的电感，提供更快的开关速度。与传统的硅解决方案相比，SiC MOSFET还具有更低的导通电阻和更快的恢复速度。这些SiC沟槽式MOSFET有650V和1200V两种型号，是服务器电源、太阳能逆变器和电动汽车充电桩的理想选择。

这些分立SiC MOSFET的TO-246封装上具有开尔文源极引脚，将栅极驱动回路与电源端子分开。因此，由于源电流的上升，导通过程不会因电压下降而减慢，从而显著降低导通损耗。

我们再来看英飞凌（infineon）的新型封装采用开尔文源极概念：TO-247-4 引脚封装随着新一代电源开关的速度越来越快，封装和电路板寄生元件的影响越来越限制系统的整体性能。克服这一问题的有效措施是，提供到源极的附加连接 (开尔文连接)，其用作栅极驱动电压的参考电势，从而消除电压降对源极电感的影响。事实上，因更快速的开关瞬变可提高的效率可能很显著。

英飞凌提供 TO-247 4 引脚与 600V 和 650V CoolMOS™ C7超结 (SJ) MOSFET 相结合。通过 600V CoolMOS™ P6 超结 MOSFET，英飞凌推出了标准 TO-247 4 引脚封装的改进版本。TO-247 4 引脚带有非对称引线，可以增加关键引线之间爬电距离，使得波峰焊接更加顺畅，并降低电路板的产量损失。

1、特性

•第 4 引脚功能启用开尔文源极连接；

•高电压引脚之间的爬电距离增加；

•栅极信号优化；

•非对称引线增加关键引脚的距离。

2、优势

•降低栅极电路上的寄生源极电感效应，实现更快的切换，并提高效率；

•利用开尔文源极效率的优势,提高 MOSFET RDS(on)，并降低 BOM 成本；

•爬电距离满足 5000 米海拔高度的要求；

•更易于客户设计；

•能够简化波峰焊接，并改善电路板的产量损失；

如果在 4 引脚和 3 引脚封装中使用相同的管芯，可以实现 0.6% 满载效率的性能增益。

4 引脚器件的满载损耗降低可实现下一个“更小”的 MOSFET (60mΩ，而非45mΩ)，从而能够以更好的低负载效率降低 BOM 成本。

•隔离式驱动器1EDI60N12AF 类似于高边开关设置，可实现开尔文源极的浮动；

•由于驱动器隔离，控制电路中没有位移电流；

•灵活的驱动器供应：隔离式和非隔离式均可使用；

•由于参考电源接地的源极电感出现感应电压尖峰而导致开尔文源极引脚振荡；

•MOSFET 看上去类似半桥中的高侧开关；

•初级至次级驱动器隔离消除对栅极信号的影响；

三、写在最后面的话

总结起来，采用了TO-247-4L 这种Kelvin连接封装，有如下三方面优点：

1、有助于提高MOSFET开关速度

MOSFET导通时由于源级焊线产生的寄生电感的存在，会产生反向的感应电压，该电压降低了通过栅极和源极的电压。导通后栅极电压的下降，降低了导通速度。而在TO-247-4L封装中，通过MOSFET的VGS电压几乎等于驱动电压。故与TO-247-3L封装相比，TO-247-4L封装更有助于提高MOSFET开关速度。

2、可以降低导通损耗

相比于TO-247-3L，由于TO-247-4L封装开关速度更快，开关损耗大幅度降低，器件的开关速度越快Kelvin引脚带来的好处就越多。大多数半导体公司的600V/21mΩ产品为例，Eon减少了44%，Eoff减少了52% 。

3、有助于抑制栅极振荡

相比于TO-247-3L，由于TO-247-4L封装中寄生电感的减小，其栅极振荡幅度更小。

最后，再给小伙伴们看个大家伙，加深一下对功率器件开尔文端子的认识，下图为ABB 4.5kV 1.2kA的IGBT模块，对外一共有9个端子，其中功率端子C和E各3个，是为了增大电流而设计的，辅助集电极端子c用于短路退饱和检测，门极g和开尔文辅助发射极e用来控制IGBT开通和关断。