【導讀】碳化硅 (SiC) JFET堅固耐用，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 導通電阻R DS(on) × A方面擊敗了所有其他技術，實現(xiàn)了價值接近材料的理論極限（圖 1）。這個品質(zhì)因數(shù)直接關系到開關的實際性能及其經(jīng)濟性，與競爭技術相比，每個晶圓的芯片數(shù)量更多，性能相當。
碳化硅 (SiC) JFET堅固耐用，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 導通電阻R DS(on) × A方面擊敗了所有其他技術，實現(xiàn)了價值接近材料的理論極限（圖 1）。這個品質(zhì)因數(shù)直接關系到開關的實際性能及其經(jīng)濟性，與競爭技術相比，每個晶圓的芯片數(shù)量更多，性能相當。
圖 1： R DS(on) × A的理論極限與開關技術的擊穿電壓
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，以實現(xiàn)常關特性。從細節(jié)上看，如圖 2 所示，形成了一個共源共柵，其中 Si-MOSFET 切換 SiC JFET 的源極，因此當 Si-MOSFET 關閉時，JFET 源極浮動為正，從而關閉 JFET。當 MOSFET 導通時，JFET 柵極和源極有效短路，將其導通。
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 _是預定義的值并且不可訪問。Si-MOSFET 柵極對速度的影響有限，因為實際上沒有 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 柵極電阻器控制轉換速率。對于硬開關，轉換率控制是通過添加一個外部緩沖器來實現(xiàn)的，這是一個可行的解決方案，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)排列的另一個特點是，當串聯(lián)的級聯(lián)形成橋的支路時，存在顯著的反向恢復效應。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延遲關閉而導致的短時間傳導重疊。結果是反向恢復電荷在很大程度上與溫度和電流無關。該恢復電荷直接影響導通開關損耗。
JFET 本身在某些方面會是一個更好的開關，重要的是：轉換速率的簡單控制、更低的導通電阻和更低的反向恢復電荷。
隔離 SiC JFET 柵極以獲得更大的靈活性
對于較低開關頻率的應用，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“啟用”，可用于確保關斷啟動時或控制電源異常丟失時的狀態(tài)。
圖 3：SiC JFET + Si MOSFET“雙柵極”，UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）部件
當直接控制 JFET 柵極時，沒有漏源電容，輸出電容 C OSS實際上是 JFET 柵極漏極電容 C GD，完全由柵極驅(qū)動器而不是負載充電。這意味著開關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。當用于橋式電路時，恢復電荷效應來自于對續(xù)流 JFET的輸出電容 (C GD ) 充電；它的柵極電壓不變。因此，反向恢復效應大大降低，隨之而來的是 E ON的降低. 關斷速度明顯低于傳統(tǒng)的共源共柵，這在電機驅(qū)動和 SSCB/SSR 應用中是理想的，但對于 DC/DC 轉換器和其他 SMPS 應用， E OFF損耗可能太大。
第三象限權衡
當電流從源極流向漏極且柵極關閉時，直接驅(qū)動的 JFET 在第三象限的功能不同。標準級聯(lián)通過 Si-MOSFET 體二極管反向傳導并導致 JFET 通道導通，從而導致低 V SD：硅二極管壓降加上 JFET 導通電阻。對于雙柵極部件，如果柵極導通或 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)時間內(nèi)，V SD將包含一個“拐點電壓”，該電壓等于柵極被驅(qū)動為比閾值電壓更負的電壓加上 JFET 導通電阻。這可能是幾伏。這種死區(qū)功率損耗在 10 至 20 kHz 的電機驅(qū)動開關中微不足道，與 SSCB/SSR 應用完全無關。對于更高頻率的 SMPS 應用，需要添加反并聯(lián)SiC 二極管。反并聯(lián)二極管可以很小，因為它只在死區(qū)時間內(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速度并大大減少反向恢復電荷，但還有另一個容易實現(xiàn)的優(yōu)勢。在標準共源共柵中，JFET 通過其柵極被 Si-MOSFET 源極短路而導通。使用雙柵極部件，可以將導通電壓設置為正一點，進一步增強 JFET 通道，從而使 R DS(on)降低約 15% ，更快的導通，并且對關斷沒有影響. 在所有工作溫度下，JFET 柵極-源極 PN 結的“拐點”下方有一個 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。這是實現(xiàn)傳導損耗顯著降低的簡單方法。
正柵極驅(qū)動還有另一個好處：JFET 柵極-源極二極管壓降可用作實時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。與 JFET V GS一樣，MOSFET 柵極泄漏（很小）與溫度直接相關。通過將 Si-MOSFET 芯片堆疊在 JFET 芯片的頂部，它可以準確測量 MOSFET 和 JFET 的溫度。Si-MOSFET 通常保持導通狀態(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。
實際電路說明了該技術
驅(qū)動 JFET 的柵極可能看起來不熟悉，關斷狀態(tài)需要負電壓，導通狀態(tài)需要 ≥ 0 伏，但實際上它與驅(qū)動硅或 SiC MOSFET 非常相似，它們通常被驅(qū)動為負電壓（圖 4）。
圖 4：直接與標準驅(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，它將標準驅(qū)動器 U1 的導通狀態(tài)輸出從例如 +15 V 電平轉換為通過穩(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)設備可能很有用。雙柵極部分的 Si-MOSFET 由另一個隔離驅(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 恢復級聯(lián)操作并保持關閉狀態(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 來實現(xiàn)。
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