导读：当你试图利用宽带隙半导体的性能优势时，混合共源共栅功率晶体管提供了标准功率MOSFET和IGBT的便捷升级途径。
特别是宽带隙（WBG）功率半导体和碳化硅（SiC）器件可以显着提高各种类型功率转换器的能量效率和可靠性。其中包括用于电气车辆，可再生能源微型发电机和数据中心电源等用例的逆变器。 其他广泛使用的电路，如斩波器，半桥，图腾柱PFC级和软开关DC-DC转换器，也可受益于SiC功率晶体管固有的低导通电阻和高击穿电压以及高导热性。然而，性能受到标准SiC MOSFET的相对较差的体二极管性能的限制。不过，解决方案就在眼前。 SiC JFET是非常强大的晶体管。例子包括UnitedSiC开发的耗尽型沟槽JFET，它没有内置体二极管。将SiC JFET与低压硅MOSFET结合为共源共栅对，可创建一个常关器件，其中包含标准MOSFET 的本征二极管，并采用标准栅极驱动电压工作。它还具有SiC的高效率和耐受短路和雪崩条件的坚固性。 就正向压降和反向恢复电荷而言，共源共栅开关的体二极管特性表明Q RR甚至在高达200°C时变化很小。由此产生的器件有助于提高功率转换应用的效率和功率密度，并可作为现有硅（Si）器件的优势。
图1显示了SiC JFET和硅MOSFET如何以共源共栅配置组合。MOSFET通常是关闭的。JFET通常处于开启状态，需要负电压才能关闭。当MOSFET导通时，JFET栅极与源极短路，确保JEFT保持导通状态。当MOSFET关断时，其漏极电压上升，直到JFET栅极 - 源极电压达到约-7 V并关闭JFET。然后MOSFET漏极位于约10至15V。
1. SiC JFET和标准MOSFET的共源共栅配置。 MOSFET是低压型，具有快速体二极管，具有极低的反向恢复电荷和低压降，其性能类似于SiC肖特基二极管。实际上，JFET共源共栅的反向恢复超过了SiC MOSFET的温度。MOSFET通常与SiC管芯共同封装。 比较设备行为 混合SiC级联可与标准栅极驱动器一起使用，性能不受影响，并且每个芯片面积的R DS（ON）极低。反过来，较小的芯片尺寸允许较低的输入和输出电容（C ISS，C OSS），从而降低开关损耗（E OSS）。低R DS（ON）和低E OSS的组合导致高R DS（ON） x E OSS品质因数。图2比较了SiC级联和传统硅MOSFET的关键参数。
2.与传统SiC MOSFET相比，SiC级联的特性。 WBG级联的其他优点包括自然的钳位效应，从而在雪崩条件下产生强大的性能。具有高饱和电流的器件也可以很好地处理4μs或更长的瞬间短路，并具有导通电阻的正温度系数。 与其他器件不同，饱和电流不依赖于栅极驱动电压，并且在栅极 - 源极电压约为8 V时完全增强后保持接近恒定。此外，由于共源共栅栅极电荷明显小于IGBT，栅极驱动如果降低栅极电压摆幅，则可以显着降低功率要求。 Cascodes还可实现高达±25 V的宽栅极驱动电压摆幅，因此可与最初为Si或SiC MOSFET设计的系统直接兼容。即使是通常为+ 15 / -9 V的IGBT栅极驱动摆幅也是可以接受的。因此，它们可以用作直接替代品，用于升级现有设备以追求更好的性能，或者替换过时的组件。电池充电器制造商能够将效率提高1.5％，并在10千瓦级别上将功率吞吐量提高30％，只需用SiC级联替换IGBT即可。 Cascodes采用标准TO-247功率封装，可直接替代IGBT或Si / SiC MOSFET。另一方面，栅极驱动电路的微小变化可以进一步优化解决方案。 图3显示了具有R （ON）和R （OFF）单独值的典型电路，可有效控制dV / dt和di / dt电平。根据布局，铁氧体磁珠根据需要抑制振荡。此外，由于共源共栅配置消除了米勒电容，因此不需要负栅极驱动电压来防止漏极处的dV / dt效应导致电流注入栅极，这可能导致虚假导通。
所示为SiC共源共栅栅极驱动电路。 电路板设计人员应始终注意门周围的布局，与任何开关类型一样。它们应遵循良好的做法，以最大限度地减少源极连接中的电感，以防止由于沟道di / dt耦合到栅极中而引起的电压瞬变。 图2中的对比表还表明，SiC级联的固有二极管恢复电荷比较有利，并且与其低正向压降V F相结合，在二极管导通的电路中给出最小的能量损耗。 图4比较了在150°C下工作的共源共栅和SiC MOSFET的开关波形，带有和不带外部二极管，驱动800 V电感负载。使用双脉冲方法，共源共栅二极管显示较短的恢复时间（t RR）和较低的峰值恢复电流（I RM）。
4.本征二极管反向恢复特性的比较。UJC1210K的Q RR最低。 SiC Cascodes在实践中 SiC级联的近理想参数与小裸片尺寸相结合，使其成为重要应用中新设计的强大选择，如AC-DC转换器，逆变器，DC-DC转换器，焊机，D类音频放大器，EV / HEV牵引电机和其他 - 除了替换传统系统中的IGBT或标准硅MOSFET。在“清洁表”项目中，设计人员还可以自由地利用这些器件的高频功能来指定更小尺寸的磁性元件和无源元件。 特别是无桥图腾柱功率因数校正（PFC）电路的主要优点（图5）。具有慢体二极管的常规硅器件在过去限制了这种电路的性能 - 它们强制使用可变频率临界导电模式，其在每个导通周期结束时将开关电流设置为零。该模式产生高峰值电流，从而产生应力，因此需要使用过大的元件。添加反向阻断和并联导通二极管有助于，但会大大增加元件数量。
这是一个无桥图腾柱PFC电路。 共源共栅SiC JFET允许电路以较低的峰值电流在连续导通模式下工作。由于固定的工作频率，这带来了更高的效率，更小的电感器尺寸和简化的滤波以及更低的EMI问题。为了说明，使用1.5kW和230V交流线路的UnitedSiC UJC06505K器件的电路效率高达99.4％。 虽然可以提高转换器初级开关的效率，但是当配置为同步整流时，SiC级联还可以改善高压直流输出的整流。图6显示了一个示例电路。在所谓的第三象限操作中，电流从一个或另一个级联的源极通过输出电感器流到负载。流过体二极管的电流将JFET栅极 - 源极电压设置为大约+0.7 V，自动将其完全打开。如果共源共栅栅极设置为高电平，则会绕过硅MOSFET的0.7V体二极管压降，仅留下JFET的电阻，与正向导通相同。
6.使用SiC级联的同步整流。 结论 宽带隙功率晶体管与传统硅MOSFET和IGBT相比具有多个优势，包括更小的芯片尺寸，更低的导通电阻和更高的击穿电压额定值，以及几乎与结温无关的开关特性。 设计人员可以采用这些设备作为现有产品的直接替代品，或者从头开始设计的新产品。SiC共源共栅是一种新型器件，允许设计人员利用现有的栅极驱动电路获得WBG技术的许多优势，或者微调性能的微小变化。
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发表于 2019-1-25 15:16:14
