碳化硅結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SiC JFET)相比其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)具有一些顯著的優(yōu)勢(shì),特別是在給定芯片面積下的低導(dǎo)通電阻(稱為RDS.A)。為了實(shí)現(xiàn)最低的RDS.A,需要權(quán)衡的一點(diǎn)是其常開(kāi)特性,這意味著如果沒(méi)有柵源電壓,或者JFET的柵極處于懸空狀態(tài),那么JFET將完全導(dǎo)通。然而,開(kāi)關(guān)模式在應(yīng)用中通常需要常關(guān)狀態(tài)。因此,將SiC JFET與低電壓硅MOSFET以 Cascode 配置結(jié)合在一起,構(gòu)造出一個(gè)常關(guān)開(kāi)關(guān)模式“FET”,這種結(jié)構(gòu)保留了大部分SiC JFET的優(yōu)點(diǎn)。第一篇介紹了Cascode結(jié)構(gòu),本文為第二篇,將介紹Cascode開(kāi)關(guān)特性。
Cascode開(kāi)關(guān)特性
硬開(kāi)關(guān)
大多數(shù) Cascode結(jié)構(gòu)的關(guān)斷損耗(Eoff)低于開(kāi)通損耗(Eon)。這一特性在數(shù)據(jù)手冊(cè)的開(kāi)關(guān)損耗與電流關(guān)系圖中明顯體現(xiàn),如圖3(a)所示。 Cascode結(jié)構(gòu)的固有開(kāi)關(guān)速度主要由JFET電容及其片上柵極電阻決定,這些參數(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整使總開(kāi)關(guān)損耗具有競(jìng)爭(zhēng)力:Etotal= Eoff+ Eon。
應(yīng)用 Cascode的主要目的是減慢關(guān)斷速度,以抑制電壓過(guò)沖和振鈴。因此,理解 Cascode的電容特性非常重要。圖1展示了一個(gè)帶有感性負(fù)載的 Cascode在關(guān)斷時(shí)的情況。圖中標(biāo)注了其輸出電容(等于JFET的柵漏電容)、片上JFET柵極電阻,以及SiC JFET與Si MOSFET。
圖 1 帶緩沖電路的Cascode關(guān)斷情況
圖 1 中的實(shí)線箭頭表示 Cascode 導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)感性負(fù)載和 Cascode 的電流。當(dāng) Cascode關(guān)斷時(shí),它變?yōu)殡娮杼匦?,隨著 Cascode漏極-源極電壓的增加,電流轉(zhuǎn)向輸出電容和 JFET 柵極電阻。由于缺乏柵極-漏極電容,只有負(fù)載電流會(huì)對(duì) Cascode 輸出電容充電; Cascode柵極不會(huì)強(qiáng)制流過(guò)電流。這使得 Cascode的柵極電荷較低,并且不受 dV/dt 感應(yīng)(寄生)導(dǎo)通的影響,這些都是 Cascode的吸引人之處。
然而,這也對(duì)開(kāi)關(guān)速度控制提出了挑戰(zhàn):由于 Cascode輸出電容的充電過(guò)程不涉及柵極電流,調(diào)整 Cascode柵極電阻無(wú)法直接調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電壓壓擺率(dV/dt)。柵極電阻可以調(diào)整 Cascode MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度,從而可以間接調(diào)整開(kāi)關(guān)電流壓擺率 di/dt。 (這只是一種簡(jiǎn)化的解釋,因?yàn)槿绻?Cascode柵極電阻足夠大,dV/dt 就可以調(diào)節(jié),但這樣開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間就會(huì)過(guò)長(zhǎng))。
由于 Cascode的關(guān)斷速度相對(duì)于導(dǎo)通速度更快(見(jiàn)圖 3(a)),建議在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中使用關(guān)斷緩沖電路,通常采用電阻電容 (RC) 緩沖器的形式,連接在漏極和源極之間。該設(shè)計(jì)通過(guò)增加外部可調(diào)的輸出電容和阻尼電阻,對(duì) Cascode結(jié)構(gòu)的固定輸出電容進(jìn)行補(bǔ)償。圖 1 顯示了關(guān)斷期間從 Cascode分流出的額外電流,從而降低了 Cascode的 dV/dt 和 di/dt。這種方式有效彌補(bǔ)了僅通過(guò)柵極電阻調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)速度的局限性。
圖2:在硬導(dǎo)通過(guò)程中,存儲(chǔ)在輸出電容Coss及部分緩沖電容中的能量會(huì)在 Cascode中耗散。
在圖 2 中,輸出電容加上額外的緩沖電容由漏極-源極電容表示。在導(dǎo)通過(guò)程中,存儲(chǔ)在輸出電容Coss及部分緩沖電容中的能量會(huì)在 Cascode中耗散。緩沖電容的剩余能量則耗散在緩沖電阻中(如果安裝的話)。不過(guò),這只會(huì)導(dǎo)致總開(kāi)關(guān)損耗略有增加。
圖 3 UJ4SC075005L8S 的 (a) 開(kāi)關(guān)損耗與電流的關(guān)系,以及 (b) 緩沖電阻能量與電流的關(guān)系
圖8(a)展示了UJ4SC075005L8S Cascode在硬開(kāi)關(guān)條件下的損耗與電流的關(guān)系。從圖中可以看出,導(dǎo)通時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗顯著高于關(guān)斷時(shí)的損耗,這是許多 Cascode器件的典型特征。圖8(b)則顯示了相同器件對(duì)應(yīng)的緩沖電阻的能量損耗??偟木彌_損耗占總硬開(kāi)關(guān)損耗的3%到5%。
需要注意的是,如果沒(méi)有緩沖電路,通常會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的關(guān)斷電壓過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象。使用緩沖電路后,無(wú)論是導(dǎo)通還是關(guān)斷,Cascode的VDS(漏源電壓)、VGS(柵源電壓)以及ID(漏極電流)波形都會(huì)受到抑制。實(shí)踐證明,緩沖電路是調(diào)節(jié) Cascode開(kāi)關(guān)特性的最有效方法。相比于沒(méi)有緩沖電路且增加?xùn)艠O電阻的情況,使用緩沖電路并減少柵極電阻能夠降低總開(kāi)關(guān)損耗。SiC JFET Cascode和許多 SiC MOSFET 都是如此。
軟開(kāi)關(guān)
軟開(kāi)關(guān)通常包括零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS),這是由于 FET 在反向電流流過(guò)之后才導(dǎo)通,從而使漏極-源極電壓幾乎為零。
圖 4 Coss和緩沖電路電容中存儲(chǔ)的能量在 ZVS 導(dǎo)通時(shí)被回收利用
在圖4(a)中,右下側(cè)的 Cascode 正在關(guān)斷,而右上側(cè)的 Cascode 開(kāi)始續(xù)流(freewheel)。此時(shí),漏源電荷從右上側(cè) Cascode 循環(huán)到負(fù)載。類似地,在圖4(b)中,左上側(cè)的 Cascode 正在關(guān)斷,而左下側(cè)的 Cascode 開(kāi)始續(xù)流,漏源電荷從左下側(cè) Cascode 循環(huán)到輸入端和負(fù)載。
因此,在零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)條件下,不僅消除了導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗,還因回收了存儲(chǔ)在輸出電容(Coss)和緩沖電容(若存在)中的能量,從而降低了關(guān)斷損耗。若電路中包含緩沖電阻,緩沖電容中的部分能量當(dāng)然會(huì)在緩沖電阻中耗散。若無(wú)緩沖電路,軟開(kāi)關(guān)與硬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷損耗(Eoff)差異即為硬開(kāi)關(guān)的Eoff減去Eoss。對(duì)于高速開(kāi)關(guān)器件而言,這一差值通常很小。
憑借快速的關(guān)斷速度、靈活的柵極驅(qū)動(dòng)特性以及低 RDS.Coss(SiC JFET 的低 RDS.A)相結(jié)合, Cascode 在軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。根據(jù)電路中其他地方的緩沖情況(例如變壓器和/或輸出整流器兩端),即使在 ZVS 導(dǎo)通的情況下,仍可能需要為 Cascode配置漏源電容以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷緩沖。若電路工作在非諧振模式且硬開(kāi)關(guān)狀態(tài),則在緩沖電容上串聯(lián)一個(gè)阻尼電阻可能有助于優(yōu)化性能。
開(kāi)關(guān)過(guò)程中Cascode 的內(nèi)部動(dòng)態(tài)解析
我們?cè)俅我詧D1中帶有感性負(fù)載的 Cascode 關(guān)斷過(guò)程為例,圖 5重新繪制了這一過(guò)程,但包括了雜散電感。當(dāng) Cascode 中的MOSFET關(guān)斷時(shí),其電阻增大,漏源電壓隨之上升。
實(shí)際上,除非 Cascode 的柵極電阻異常大, Cascode 的MOSFET在關(guān)斷過(guò)程中都會(huì)發(fā)生雪崩擊穿,將JFET的柵源電壓鉗位在-25 V。這對(duì) JFET 來(lái)說(shuō)是完全安全的,因其柵源雪崩電壓遠(yuǎn)低于-25 V。對(duì)MOSFET而言亦無(wú)風(fēng)險(xiǎn),因其設(shè)計(jì)可耐受大電流下的重復(fù)雪崩,且雪崩持續(xù)時(shí)間極短,能量低。此時(shí),負(fù)載電流從 JFET 和 MOSFET 溝道分流,對(duì)輸出電容(和緩沖電容)充電,直到電路中的其他器件續(xù)流電流。
圖 5 包括雜散電感和相關(guān)電容在內(nèi)的Cascode
Cascode 柵極電阻越小, Cascode的 MOSFET VDS上升越快,MOSFET 將 JFET VGS箝位在 -25 V 的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng) JFET VGS被箝位在 -25 V 時(shí),即 MOSFET 處于雪崩狀態(tài)時(shí),JFET VGS與其閾值電壓之間的差值最大。此時(shí)JFET 的抗噪聲能力最強(qiáng)。當(dāng)存儲(chǔ)在雜散電感中的能量充分衰減,MOSFET 就會(huì)退出雪崩狀態(tài),此時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)振鈴。雜散電感主要存在于源極連接線和封裝源極引腳中。
雪崩結(jié)束后,隨著JFET完成關(guān)斷瞬態(tài),MOSFET的VDS將穩(wěn)定在接近JFET閾值電壓的水平。若此時(shí)源極電感噪聲過(guò)大,就會(huì)超過(guò) JFET VGS與 JFET 閾值電壓之間的差值,從而導(dǎo)致 JFET 誤導(dǎo)通。 Cascode結(jié)構(gòu)尤其受益于配備獨(dú)立Kelvin源極引腳的封裝設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過(guò)消除柵極驅(qū)動(dòng)回路中負(fù)載電流感應(yīng)電壓,有效抑制 Cascode柵極(即其內(nèi)部MOSFET柵極)的振鈴,進(jìn)而降低內(nèi)部JFET柵極的振鈴。類似原理亦適用于導(dǎo)通過(guò)程: Cascode中MOSFET的快速導(dǎo)通可縮短其VDS接近JFET閾值電壓的持續(xù)時(shí)間,從而提升抗噪聲能力。
續(xù)流后的恢復(fù)
圖6 續(xù)流 Cascode在“反向恢復(fù)”過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換
現(xiàn)在,讓我們考慮一個(gè)如圖 6(a)所示的續(xù)流 Cascode。即使MOSFET在死區(qū)時(shí)間內(nèi)被柵極關(guān)斷,續(xù)流 Cascode的 MOSFET 仍能保持 JFET 導(dǎo)通。電流需換向到另一個(gè) Cascode(本例中為下方)并反向,上方 Cascode才能支持漏極-源極電壓。續(xù)流 Cascode中JFET的柵源電壓(VGS)必須從略高于正值轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀贘FET閾值電壓的負(fù)值。
首先,續(xù)流 Cascode的 MOSFET 會(huì)經(jīng)歷真正的反向恢復(fù),由于 30 V MOSFET 的少數(shù)載流子壽命很短,此過(guò)程速度極快且電荷量極小,如圖 6(b) 所示。隨后,與前述硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷類似,MOSFET通常進(jìn)入雪崩狀態(tài)。JFET的VGS變化取決于其輸出電容(柵漏電容)與片上柵極電阻。
與此同時(shí),電流繼續(xù)流過(guò)續(xù)流 JFET 及其 MOSFET,直到 JFET 完成關(guān)斷序列,如圖 6(c)所示。其中只有一小部分電流來(lái)自續(xù)流 Cascode的 MOSFET 體二極管,大部分反向恢復(fù)電荷來(lái)自續(xù)流 Cascode中 JFET 關(guān)斷時(shí)的電流。這種 Cascode反向恢復(fù)效應(yīng)與溫度無(wú)關(guān),在很大程度上也與電流無(wú)關(guān),因?yàn)樗Q于 JFET 柵極-漏極電容和 JFET 柵極電阻。無(wú)論電流大小,恢復(fù)電荷都大致相同,這使得大電流下的開(kāi)關(guān)波形看起來(lái)相當(dāng)不錯(cuò),但在小電流下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的 Eon。
圖 7 UF4SC120023K4S(1200 V、23 mΩ第四代 Cascode器件)的開(kāi)關(guān)損耗-電流關(guān)系曲線
Cascode器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中呈現(xiàn)的Eon與電流曲線偏移(基于感性負(fù)載硬開(kāi)關(guān)半橋測(cè)試數(shù)據(jù))直觀體現(xiàn)了這一反向恢復(fù)效應(yīng)。圖 7 顯示了一個(gè)通過(guò)推斷得到的 Eon曲線的示例,若能在接近零電流條件下測(cè)量Eon,其值幾乎完全由續(xù)流 Cascode的反向恢復(fù)過(guò)程引起的。
Cascode 的權(quán)衡
SiC JFET Cascode 結(jié)構(gòu)與 SiC MOSFET 的權(quán)衡因素截然不同。在 SiC 上制造 MOS 柵極的挑戰(zhàn)與 Cascode 結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。 Cascode結(jié)構(gòu)的基本權(quán)衡因素在于反向恢復(fù)電荷效應(yīng)及其相關(guān)的硬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗與關(guān)斷時(shí)的電壓過(guò)沖、以及易產(chǎn)生振鈴和振蕩之間的平衡。調(diào)節(jié)這一權(quán)衡的主要“調(diào)節(jié)點(diǎn)”是 Cascode 中 JFET 的柵極電阻,但由于其封裝在器件內(nèi)部而無(wú)法調(diào)整,因此需依賴外部緩沖電路和柵極電阻來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)。
較高的 JFET 柵極電阻會(huì)減慢 Cascode 開(kāi)關(guān)壓擺率,從而使器件更易于使用,但代價(jià)是較高的反向恢復(fù)電荷和硬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗。 Gen3 "UJ3 "系列器件提供了這種選擇,其內(nèi)部 JFET 柵極電阻高于安森美(onsemi)所有其他 Cascode產(chǎn)品。UJ3 系列尤其適用于軟開(kāi)關(guān)及低頻應(yīng)用場(chǎng)景。而 安森美第三代 "UF3" 系列及所有第四代 Cascode 產(chǎn)品則專門進(jìn)行了優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的總開(kāi)關(guān)損耗,同時(shí)具有更高的開(kāi)關(guān)壓擺率。
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結(jié)語(yǔ)
Cascode 配置是在開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用中利用常開(kāi)型SiC JFET的低RDS.A的一種方法。
靈活的柵極驅(qū)動(dòng)、快速關(guān)斷以及低RDS. Coss使得 Cascode 在軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。
沒(méi)有柵漏電容帶來(lái)了低柵極電荷,但同時(shí)也限制了柵極電阻對(duì)開(kāi)關(guān)速度的控制,因此 Cascode可利用緩沖電路來(lái)調(diào)節(jié)固有的快速關(guān)斷速度。
Cascode硬開(kāi)關(guān)反向恢復(fù)效應(yīng)在很大程度上與溫度和電流無(wú)關(guān)。
使用Kelvin源連接和盡可能小的柵極電阻時(shí), Cascode 工作效果最佳。
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原文標(biāo)題:SiC JFET Cascode應(yīng)用指南完整版:Cascode結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)特性
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