【導(dǎo)讀】碳化硅（SiC）憑借其優(yōu)異的材料特性，在服務(wù)器、工業(yè)電源等關(guān)鍵領(lǐng)域掀起技術(shù)變革浪潮。本教程聚焦SiC 尤其是SiC JFET系列器件，從碳化硅如何重構(gòu)電源設(shè)計(jì)邏輯出發(fā)，剖析其在工業(yè)與服務(wù)器電源場(chǎng)景的應(yīng)用價(jià)值。我們已經(jīng)介紹了《碳化硅如何革新電源設(shè)計(jì)、工業(yè)與服務(wù)器電源》《三種替代Si和SiC MOSFET的方案》。本文為第三篇，將介紹SiC Cascode JFET的動(dòng)態(tài)特性、SiC Combo JFET的應(yīng)用靈活性。
（一）SiC CJFET：性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)
對(duì)于當(dāng)前市場(chǎng)上任意給定的半導(dǎo)體封裝，CJFET始終能提供最低的導(dǎo)通電阻RDS（on）。您無(wú)需并聯(lián)多個(gè)器件來(lái)提升性能，從而節(jié)省寶貴的PCB空間。
安森美（onsemi）采用TOLL封裝的750VUJ4SC075005L8S CJFET在25℃時(shí)的RDS（on）僅為5.4mΩ。相比之下，競(jìng)品器件即使額定電壓僅達(dá)600V或650V，其RDS（on）仍可能高達(dá)該值的十倍之多。
正得益于這一顯著的導(dǎo)通電阻優(yōu)勢(shì)，安森美的EliteSiC CJFET如今在成本與性能兩方面，均能有力地與硅基超結(jié)MOSFET（Superjunction MOSFET）展開(kāi)有力競(jìng)爭(zhēng)。
（二）SiC Cascode JFET的動(dòng)態(tài)特性
SiC CJFET的工作機(jī)制如下：在器件導(dǎo)通階段，向低壓硅MOSFET（LVMOS）的柵極施加12V至15V的正向驅(qū)動(dòng)電壓，使其溝道導(dǎo)通。在此期間，阻抗很低，其漏源電壓VDS迅速降至0V。而恰好0V即為SiC JFET的導(dǎo)通電壓，因此器件也隨之導(dǎo)通。
在關(guān)斷階段，將LVMOS電壓置為0V。漏極偏置電壓會(huì)通過(guò)SiC JFET傳遞，導(dǎo)致LVMOS的漏源電壓VDS升高。這種電壓反轉(zhuǎn)會(huì)充當(dāng)JFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)LVMOS的VDS超過(guò)SiC JFET的閾值電壓時(shí)，JFET的導(dǎo)電溝道被夾斷（pinch-off），從而阻斷系統(tǒng)中剩余的全部高壓。
（三）相比SiC MOSFET，具備極低的關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗
除了導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通損耗的優(yōu)勢(shì)外，安森美SiC CJFET器件在開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用中，相較于SiC MOSFET，關(guān)斷能量損耗（Eoff）和導(dǎo)通能量損耗（Eon）也具有顯著優(yōu)勢(shì)。
下方圖表展示了某競(jìng)品廠商的SiC MOSFET、安森美的NTBG023N065M3S SiC MOSFET，以及安森美的UJ4SC075018B7S SiC CJFET的實(shí)測(cè)開(kāi)關(guān)損耗數(shù)據(jù)。為確保測(cè)試公平性，在40A關(guān)斷電流條件下，各被測(cè)器件的續(xù)流二極管電壓過(guò)沖保持一致。
在0A至80A范圍內(nèi)，配合使用330pF的緩沖電路，CJFET在關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在40A電流下，其關(guān)斷損耗幾乎比競(jìng)品低5倍。
這種優(yōu)異的關(guān)斷損耗性能在導(dǎo)通損耗方面略有代價(jià)——CJFET的導(dǎo)通損耗確實(shí)高于競(jìng)品器件，這是由于CJFET內(nèi)部增加了額外的電容所致。在硬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通條件下，會(huì)產(chǎn)生更高的導(dǎo)通損耗。但在LLC等典型應(yīng)用場(chǎng)景中，不存在導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗，因此CJFET憑借其極低的導(dǎo)通電阻RDs（on）和關(guān)斷損耗Eoff，成為理想選擇。
（四）相比SiC MOSFET，具備極低的整流損耗
續(xù)流二極管（亦稱(chēng)飛輪二極管）能在開(kāi)關(guān)關(guān)斷、電流中斷時(shí)實(shí)現(xiàn)反向電流通過(guò)，從而抑制感性負(fù)載兩端的高壓尖峰。然而，該二極管通常也是反向恢復(fù)損耗的另一個(gè)主要來(lái)源。當(dāng)電路利用器件的體二極管進(jìn)行續(xù)流導(dǎo)通時(shí)，體二極管的導(dǎo)通壓降（on-state drop）會(huì)導(dǎo)致顯著的導(dǎo)通損耗。這通常是采用同步導(dǎo)通方式的原因——通過(guò)將JFET溝道導(dǎo)通來(lái)減少損耗。
在與兩款不同的SiC MOSFET進(jìn)行相同條件的對(duì)比測(cè)試中，安森美的CJFET展現(xiàn)出最低的整流關(guān)斷損耗（Erec）。事實(shí)上，在使用緩沖電路的情況下，CJFET的整流損耗隨著電流升高反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
當(dāng)綜合考量導(dǎo)通損耗Eon，關(guān)斷損耗Eoff，與整流損耗Erec這三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，即便CJFET的導(dǎo)通損耗較高，其總體開(kāi)關(guān)損耗仍可降低多達(dá)三分之一。
（五）CJFET如何利用JFET的超低導(dǎo)通電阻
如前所述，安森美第四代SiC JFET的總導(dǎo)通電阻僅為SiC MOSFET的一半。通過(guò)對(duì)比SiC MOSFET（左圖）與SiC CJFET（右圖）的平面結(jié)構(gòu)圖，這一戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)帶來(lái)的收益顯而易見(jiàn)。MOSFET存在固有溝道電阻Rchannel，該電阻對(duì)器件整體導(dǎo)通電阻的貢獻(xiàn)高達(dá)60%。而在共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)的JFET器件中則不存在這種溝道電阻（Rchannel）。取而代之的是一個(gè)低壓MOSFET，其導(dǎo)通電阻RDS(A)本身就非常低，僅占整體RDS（on）的約10%。通過(guò)將反向漂移從SiC MOSFET的體二極管中移除，CJFET在導(dǎo)通電阻形成的空間和時(shí)間維度上都得以縮減。
（六）更低的體二極管正向壓降（VF）
EliteSiC CJFET的設(shè)計(jì)可在第三象限反向恢復(fù)階段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步整流（SR）。在此階段，即使未對(duì)低壓MOSFET施加正向偏置，其體二極管仍可在約+0.7V的電壓下導(dǎo)通。由于JFET本身是常開(kāi)型器件，該低壓即可有效將其開(kāi)啟。因此無(wú)論是否選擇采用同步開(kāi)關(guān)控制，JFET溝道始終能在第三象限導(dǎo)通期間提供同步整流功能。
（七）降低導(dǎo)通損耗
在第三象限導(dǎo)通期間，SiC MOSFET的體二極管壓降明顯高于CJFET。如以下兩幅圖所示，這是對(duì)兩款典型安森美器件——1200V/80mΩ SiC MOSFET與同規(guī)格（1200V、80mΩ）SiC CJFET——在25℃條件下進(jìn)行的對(duì)比測(cè)試結(jié)果。
當(dāng)柵極偏置電壓為0V時(shí)，SiC MOSFET的漏源電壓VDS高達(dá)4.8V（見(jiàn)藍(lán)色圓圈處）。相比之下，由于CJFET在第三象限自動(dòng)導(dǎo)通，在相同0V柵壓和30A反向電流條件下，其VDS壓降僅為約2.45V（見(jiàn)藍(lán)色圓圈處）。因此，在死區(qū)時(shí)間（dead-time）內(nèi)，CJFET的導(dǎo)通損耗顯著更低。
（八）極低的柵極電荷，實(shí)現(xiàn)更靈活的柵極驅(qū)動(dòng)
共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)通過(guò)與硅MOSFET柵極相連，顯著提升了柵極驅(qū)動(dòng)的靈活性。該結(jié)構(gòu)可耐受極寬的電壓范圍，并內(nèi)置了靜電保護(hù)（ESD）功能。
假設(shè)無(wú)需將柵極驅(qū)動(dòng)電壓（VGS）提升至15V：如左上圖所示，僅9V的VGS即可近乎完全導(dǎo)通SiC CJFET。因此，若僅采用10V而非15V的VGS進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（如右上圖所示），器件的柵極電荷（QG）將降低12nC——降幅達(dá)30%，且不會(huì)對(duì)RDS（on）造成任何負(fù)面影響。這對(duì)于電源在輕載條件下降低高頻LLC拓?fù)涞臇艠O驅(qū)動(dòng)損耗尤為重要。
（九）SiC Combo JFET的應(yīng)用靈活性
SiC Combo JFET是一種由低壓硅MOSFET與高壓常開(kāi)型SiC JFET組成的復(fù)合器件。與cascode器件結(jié)構(gòu)不同，在該組合結(jié)構(gòu)中，SiC JFET的源極連接至低壓Si MOSFET的漏極，從而使JFET和MOSFET的柵極均可獨(dú)立接入以方便控制。
使用Combo JFET最簡(jiǎn)便的方法，是通過(guò)單個(gè)電阻RG將JFET柵極與MOSFET源極連接。通過(guò)調(diào)節(jié)該電阻值，即可有效調(diào)控器件的開(kāi)關(guān)速度。右圖展示了四個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的Combo JFET輸出特性曲線，每個(gè)器件導(dǎo)通電流為100A。值得注意的是，波形中未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，且開(kāi)關(guān)速度與電流均流性能均得到了良好控制。
（十）將Si MOSFET堆疊在SiC JFET之上
安森美EliteSiC Combo JFET將常開(kāi)型SiC JFET與常閉型的Si MOSFET串聯(lián)連接。但與傳統(tǒng)做法不同的是，該器件并未在封裝內(nèi)部將柵極連接到源極，而是將JFET的柵極和MOSFET的柵極分別引出至封裝外部，從而可根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活地在外部連接。
下方的剖面圖展示了藍(lán)色的SiC JFET芯片，它通過(guò)銀燒結(jié)工藝鍵合至封裝銅基底上。黃色的Si MOSFET芯片則通過(guò)銀燒結(jié)工藝堆疊在JFET芯片的頂部。兩個(gè)芯片各自的柵極分別通過(guò)獨(dú)立的引腳引出封裝。
未完待續(xù)，還有更多干貨知識(shí)等您解鎖：利用SiC CJFET代替超級(jí)結(jié)JFET、開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用。
