【導(dǎo)讀】碳化硅 (SiC) JFET堅(jiān)固耐用，具有高能量雪崩和短路耐受額定值，而且值得注意的是，它們在每單位芯片面積的 FOM 導(dǎo)通電阻R DS(on) × A方面擊敗了所有其他技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了價(jià)值接近材料的理論極限（圖 1）。這個(gè)品質(zhì)因數(shù)直接關(guān)系到開關(guān)的實(shí)際性能及其經(jīng)濟(jì)性，與競爭技術(shù)相比，每個(gè)晶圓的芯片數(shù)量更多，性能相當(dāng)。
碳化硅 (SiC) JFET堅(jiān)固耐用，具有高能量雪崩和短路耐受額定值，而且值得注意的是，它們在每單位芯片面積的 FOM 導(dǎo)通電阻R DS(on) × A方面擊敗了所有其他技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了價(jià)值接近材料的理論極限（圖 1）。這個(gè)品質(zhì)因數(shù)直接關(guān)系到開關(guān)的實(shí)際性能及其經(jīng)濟(jì)性，與競爭技術(shù)相比，每個(gè)晶圓的芯片數(shù)量更多，性能相當(dāng)。
圖 1： R DS(on) × A的理論極限與開關(guān)技術(shù)的擊穿電壓
我們還能做得更好嗎？
UnitedSiC （現(xiàn)為 Qorvo）的SiC 共源共柵在許多應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，但它們還能做得更好嗎？該器件包括級聯(lián)排列的 SiC JFET 和 Si-MOSFET，以實(shí)現(xiàn)常關(guān)特性。從細(xì)節(jié)上看，如圖 2 所示，形成了一個(gè)共源共柵，其中 Si-MOSFET 切換 SiC JFET 的源極，因此當(dāng) Si-MOSFET 關(guān)閉時(shí)，JFET 源極浮動為正，從而關(guān)閉 JFET。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，JFET 柵極和源極有效短路，將其導(dǎo)通。
圖 2：SiC FET 的正常共源共柵排列
共源共柵配置通過簡單的柵極驅(qū)動使部件易于使用，但降低了可控性。共源共柵開關(guān)速度主要由 JFET 柵極漏極電容和從 JFET 柵極到 Si-MOSFET 源極的內(nèi)部串聯(lián)電阻 R G決定。RG _是預(yù)定義的值并且不可訪問。Si-MOSFET 柵極對速度的影響有限，因?yàn)閷?shí)際上沒有 JFET 漏源電容，否則會通過其自身的柵極漏極電容將電流反饋回 MOSFET 柵極，從而允許使用 MOSFET 柵極電阻器控制轉(zhuǎn)換速率。對于硬開關(guān)，轉(zhuǎn)換率控制是通過添加一個(gè)外部緩沖器來實(shí)現(xiàn)的，這是一個(gè)可行的解決方案，幾乎沒有額外的功耗。UnitedSiC 為級聯(lián)SiC FET“用戶指南”提供了推薦的緩沖器和柵極電阻器值。
級聯(lián)排列的另一個(gè)特點(diǎn)是，當(dāng)串聯(lián)的級聯(lián)形成橋的支路時(shí)，存在顯著的反向恢復(fù)效應(yīng)。這不是來自寄生體二極管，而是由于續(xù)流共源共柵的 JFET 在其柵極電容放電時(shí)延遲關(guān)閉而導(dǎo)致的短時(shí)間傳導(dǎo)重疊。結(jié)果是反向恢復(fù)電荷在很大程度上與溫度和電流無關(guān)。該恢復(fù)電荷直接影響導(dǎo)通開關(guān)損耗。
JFET 本身在某些方面會是一個(gè)更好的開關(guān)，重要的是：轉(zhuǎn)換速率的簡單控制、更低的導(dǎo)通電阻和更低的反向恢復(fù)電荷。
隔離 SiC JFET 柵極以獲得更大的靈活性
對于較低開關(guān)頻率的應(yīng)用，更好的安排是將 JFET 柵極引出至外部連接，如圖 3 所示。Si-MOSFET 現(xiàn)在可以簡單地視為一個(gè)“啟用”，可用于確保關(guān)斷啟動時(shí)或控制電源異常丟失時(shí)的狀態(tài)。
圖 3：SiC JFET + Si MOSFET“雙柵極”，UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）部件
當(dāng)直接控制 JFET 柵極時(shí)，沒有漏源電容，輸出電容 C OSS實(shí)際上是 JFET 柵極漏極電容 C GD，完全由柵極驅(qū)動器而不是負(fù)載充電。這意味著開關(guān)速度可以直接由柵極電阻器控制，并聯(lián)得到簡化。外部緩沖器現(xiàn)在是可選的，可節(jié)省空間和成本。當(dāng)用于橋式電路時(shí)，恢復(fù)電荷效應(yīng)來自于對續(xù)流 JFET的輸出電容 (C GD ) 充電；它的柵極電壓不變。因此，反向恢復(fù)效應(yīng)大大降低，隨之而來的是 E ON的降低. 關(guān)斷速度明顯低于傳統(tǒng)的共源共柵，這在電機(jī)驅(qū)動和 SSCB/SSR 應(yīng)用中是理想的，但對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和其他 SMPS 應(yīng)用， E OFF損耗可能太大。
第三象限權(quán)衡
當(dāng)電流從源極流向漏極且柵極關(guān)閉時(shí)，直接驅(qū)動的 JFET 在第三象限的功能不同。標(biāo)準(zhǔn)級聯(lián)通過 Si-MOSFET 體二極管反向傳導(dǎo)并導(dǎo)致 JFET 通道導(dǎo)通，從而導(dǎo)致低 V SD：硅二極管壓降加上 JFET 導(dǎo)通電阻。對于雙柵極部件，如果柵極導(dǎo)通或 JFET 柵極-漏極電壓超過其閾值電壓，反向電流將流過 JFET。換句話說，在橋電路死區(qū)時(shí)間內(nèi)，V SD將包含一個(gè)“拐點(diǎn)電壓”，該電壓等于柵極被驅(qū)動為比閾值電壓更負(fù)的電壓加上 JFET 導(dǎo)通電阻。這可能是幾伏。這種死區(qū)功率損耗在 10 至 20 kHz 的電機(jī)驅(qū)動開關(guān)中微不足道，與 SSCB/SSR 應(yīng)用完全無關(guān)。對于更高頻率的 SMPS 應(yīng)用，需要添加反并聯(lián)SiC 二極管。反并聯(lián)二極管可以很小，因?yàn)樗辉谒绤^(qū)時(shí)間內(nèi)承載峰值電流。
還有更多的收獲
到目前為止，我們可以直接控制開關(guān)速度并大大減少反向恢復(fù)電荷，但還有另一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢。在標(biāo)準(zhǔn)共源共柵中，JFET 通過其柵極被 Si-MOSFET 源極短路而導(dǎo)通。使用雙柵極部件，可以將導(dǎo)通電壓設(shè)置為正一點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng) JFET 通道，從而使 R DS(on)降低約 15% ，更快的導(dǎo)通，并且對關(guān)斷沒有影響. 在所有工作溫度下，JFET 柵極-源極 PN 結(jié)的“拐點(diǎn)”下方有一個(gè) 2 V 正驅(qū)動電壓，因此只有很小的柵極電流會流動。該電流大約為幾毫安，因此少數(shù)載流子注入可以忽略不計(jì)。這是實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)損耗顯著降低的簡單方法。
正柵極驅(qū)動還有另一個(gè)好處：JFET 柵極-源極二極管壓降可用作實(shí)時(shí)片上溫度測量的溫度敏感參數(shù)。例如，-3.22 mV/°C 是UnitedSiC Gen 3 1200 V JFET的線性 V GS溫度系數(shù)。因此，可以通過測量導(dǎo)通狀態(tài)下的柵極-源極電壓和柵極電流來直接檢測芯片溫度。
一種更簡單的確定管芯溫度的方法是測量 Si-MOSFET 的柵極漏電流。但是請注意，由于部件之間的差異，這需要校準(zhǔn)。與 JFET V GS一樣，MOSFET 柵極泄漏（很?。┡c溫度直接相關(guān)。通過將 Si-MOSFET 芯片堆疊在 JFET 芯片的頂部，它可以準(zhǔn)確測量 MOSFET 和 JFET 的溫度。Si-MOSFET 通常保持導(dǎo)通狀態(tài)，因此使用差分放大器測量其柵極電阻兩端的靜態(tài)電壓是感測溫度的一種簡單方法。
實(shí)際電路說明了該技術(shù)
驅(qū)動 JFET 的柵極可能看起來不熟悉，關(guān)斷狀態(tài)需要負(fù)電壓，導(dǎo)通狀態(tài)需要 ≥ 0 伏，但實(shí)際上它與驅(qū)動硅或 SiC MOSFET 非常相似，它們通常被驅(qū)動為負(fù)電壓（圖 4）。
圖 4：直接與標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器和緩沖器連接到級聯(lián) JFET 門
在該電路中，的附加元件是緩沖器 Q1，它將標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器 U1 的導(dǎo)通狀態(tài)輸出從例如 +15 V 電平轉(zhuǎn)換為通過穩(wěn)壓器提供的 +2 V。Q1 中較低的 MOSFET 是可選的——所示的驅(qū)動器 IC 具有可直接使用的斷態(tài)輸出，但 U1 中的 MOSFET 提供增加的電流容量，這對于并聯(lián)設(shè)備可能很有用。雙柵極部分的 Si-MOSFET 由另一個(gè)隔離驅(qū)動器控制。在直流鏈路通電但驅(qū)動器斷電的情況下，齊納二極管 D2 和 D3 確保 JFET 恢復(fù)級聯(lián)操作并保持關(guān)閉狀態(tài)。傳統(tǒng)的 DESAT 檢測通常包含在驅(qū)動器中，這可以通過原理圖中的 R4 和 D1 使用 JFET 來實(shí)現(xiàn)。
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