SiC共源共柵在困難條件下的性能解析

本文探討了SiC共源共柵在困難條件下（包括雪崩模式和發(fā)散振蕩）的性能，并研究了它們在利用零電壓開關(guān)的電路中的性能。

碳化硅（SiC）共源共柵具有主要特性，如芯片面積的歸一化導(dǎo)通電阻（RDSA）、器件電容和易于柵極驅(qū)動(dòng)。然而，設(shè)計(jì)師們非常謹(jǐn)慎，他們明白頭條新聞并不總是故事的全部。我們很自然地對(duì)改變幾十年來被證明很強(qiáng)大的技術(shù)持謹(jǐn)慎態(tài)度，例如IGBT，但這些設(shè)備在電壓應(yīng)力和外部故障的真實(shí)動(dòng)態(tài)條件下的作用是一個(gè)特別值得關(guān)注的領(lǐng)域。

超越雪崩

級(jí)聯(lián)共源共柵的優(yōu)點(diǎn)在于使用了低壓Si-MOSFET，它與常開SiCJFET結(jié)合使用，使器件具有整體低導(dǎo)通電阻、快速體二極管和易于柵極驅(qū)動(dòng)（圖1）。

圖1.SiC級(jí)聯(lián)

有些人可能會(huì)擔(dān)心，MOSFET可能會(huì)動(dòng)態(tài)地看到高漏極電壓，并在被驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)在正常運(yùn)行中進(jìn)入雪崩模式。這會(huì)導(dǎo)致額外的損失甚至設(shè)備故障嗎？在由橫向結(jié)構(gòu)的GaNHEMT單元形成的級(jí)聯(lián)中，這是一種真正的可能性，因?yàn)镚aN器件的有限漏源電容CDS與Si-MOSFET的CDS形成“下降”，并且可以動(dòng)態(tài)地留下高壓在MOSFET漏極上（圖2）。然而，SiC共源共柵中的SiCJFET不同，由于它們的垂直“溝槽”結(jié)構(gòu)，SiC-JFETCDS值非常小，因此Si-MOSFET幾乎不會(huì)看到來自下拉效應(yīng)的高壓。

圖2.SiMOSFET和GaNHEMT單元的級(jí)聯(lián)排列，電壓動(dòng)態(tài)“下降”，在Si-MOSFET漏極上留下高電壓

擁抱雪崩

但在某些情況下，雪崩是可取的，以保護(hù)設(shè)備免受感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬態(tài)影響。GaN共源共柵沒有雪崩額定值，只會(huì)因過壓而失效，而SiC共源共柵JFET的柵漏二極管發(fā)生擊穿，使電流通過RG，降低電壓以打開JFET。Si-MOSFET現(xiàn)在會(huì)發(fā)生雪崩，但如果雪崩二極管內(nèi)置在每個(gè)單元中，則以受控方式進(jìn)行。為了消除對(duì)這種蓄意雪崩效應(yīng)可能造成破壞的擔(dān)憂，UnitedSiC等制造商通過在150°C下偏向雪崩的部件證明了這一點(diǎn)，該部件可以運(yùn)行1000小時(shí)。作為一項(xiàng)額外的置信度測量，所有UnitedSiC部件在最終測試中都受到100%雪崩的影響。

SiC共源共柵保持零電壓開關(guān)

另一種情況是SiC共源共柵分?jǐn)?shù)的低CDS出現(xiàn)在使用零電壓開關(guān)（ZVS）的電路中；僅當(dāng)負(fù)載電壓以共振方式降至零伏時(shí)，才允許電源開關(guān)改變狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)無損轉(zhuǎn)換（圖3）。

圖3.電壓下降時(shí)的過渡產(chǎn)生零電壓開關(guān)

如果共源共柵中高壓開關(guān)的CDS值較高，則存在通過它的感應(yīng)電流可以將其柵源電容與Si-MOSFET漏源電容一起放電的危險(xiǎn)，從而使高壓開關(guān)過早導(dǎo)通在漏極電壓變?yōu)榱阒啊Ｔ谶@種情況下，ZVS丟失，功率耗散。SiC-CascodeJFET中沒有CDS意味著該效應(yīng)不會(huì)發(fā)生。

發(fā)散振蕩

當(dāng)級(jí)聯(lián)第一次與用于高壓和低壓開關(guān)的分立器件組裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種稱為發(fā)散振蕩的類似效應(yīng)。不同封裝中的不同技術(shù)設(shè)備通常來自不同的制造商，它們自然具有很高的雜散電容和連接電感，它們也有自己的容差。

X.Huang、FredLee和其他人［1］的工作表明，在大電流下關(guān)斷時(shí)，高壓開關(guān)的有限CDS值可能與封裝電感發(fā)生共振，從而導(dǎo)致電流注入共源共柵中點(diǎn)。電流可能會(huì)部分打開高壓開關(guān)，從而降低有效諧振電容，從而增加電路特性阻抗。這具有增加諧振擺動(dòng)幅度的效果。

結(jié)果是失控或“發(fā)散”振蕩，可能導(dǎo)致耗散和設(shè)備故障（圖4）。該論文提出在中點(diǎn)使用耗散RC緩沖器是一種解決方案，但實(shí)際上發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)電容器是有效的。不過，這必須是幾個(gè)納法拉，并且確實(shí)會(huì)導(dǎo)致一些額外的損失，尤其是在高頻下。具有接近零CDS的SiC共源共柵完全避免了該問題，并且高低壓開關(guān)的共同封裝將封裝電感降低到較低值，同時(shí)允許利用共源共柵的全部高頻能力。

圖4.發(fā)散振蕩

碳化硅級(jí)聯(lián)是穩(wěn)健的

當(dāng)Si-MOSFET是為應(yīng)用定制設(shè)計(jì)并與JFET共同封裝時(shí)，SiC共源共柵會(huì)發(fā)揮最佳性能。以這種方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，MOSFET不會(huì)承受電壓應(yīng)力并提供快速體二極管。JFET有效地控制了器件的導(dǎo)通電阻和耐壓特性，而這種組合提供了一定程度的魯棒性，可抵御意外雪崩和其他技術(shù)（如超結(jié)MOSFET和GaNHEMT單元）所見的高CDS值的各種損耗誘導(dǎo)效應(yīng)。