寬帶隙器件的優(yōu)、缺點(diǎn)

　　幾乎沒有必要用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)來描述寬帶隙（WBG）器件的質(zhì)量，因?yàn)閱螐倪@些器件標(biāo)注的名稱已經(jīng)足以保證極高的功率密度和匹配效率，最近的一個(gè)例證是“小盒子挑戰(zhàn)”，它將特定轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)功率密度提高了三倍。在實(shí)際系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員需要通常由SiC MOSFET和增強(qiáng)型GaN（e-GaN）HEMT單元提供的OFF開關(guān)，但它們并不十全十美，都有自己的局限性和缺陷。這兩種類型的器件都需要非常特殊的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。SiC MOSFET具有相對(duì)較差的體二極管，而GaN器件則沒有經(jīng)典的體二極管，且沒有雪崩電壓特性。在“斬波器”、半橋和“圖騰柱”功率因數(shù)（PFC）級(jí)等許多實(shí)際應(yīng)用中，需要體二極管或其他類似的器件。為了顯著提高效率，SiC-MOSFET和GaN HEMT需要并聯(lián)一個(gè)高性能二極管，增加了總體成本和復(fù)雜性。

　　SiC共源共柵：一個(gè)古老技術(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用

　　20世紀(jì)30年代，人們將真空管串聯(lián)起來，從而形成性能比任何一個(gè)單獨(dú)部件都好的混合器件。為了充分利用寬帶隙技術(shù)，現(xiàn)代制造商們把這種古老想法進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，該技術(shù)被命名為“共源共柵極”，并在過去幾年來以BJT和MOSFET形式重新出現(xiàn)在市場(chǎng)。

　　在寬帶隙的實(shí)施中，共源共柵是指一個(gè)Si-MOSFET和通常為導(dǎo)通 SiC-JFET（ON SiC-JFET）器件的串聯(lián)連接（如圖1所示）。當(dāng)柵極處于高電平時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，使JFET柵極 - 源極短路，強(qiáng)制其導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET柵極為低電平時(shí)，其漏極電壓上升，直到JFET柵極 - 源極電壓達(dá)到約-7V，將其關(guān)斷，因而在MOSFET漏極上加有約7-10V的電壓。混合電路正常關(guān)斷，柵極驅(qū)動(dòng)電壓現(xiàn)在不是關(guān)鍵指標(biāo)，MOSFET反向恢復(fù)電荷很低，電壓降低，其體二極管變快。這些屬性源于MOSFET是一種低電壓型器件，針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并通常與SiC晶片共用封裝。

　　圖1：Si-MOSFET和SiC-JFET的共源共柵排列。

　　共源共柵現(xiàn)在可以作為SiC-MOSFET和GaN HEMT的一個(gè)具有非常大吸引力的替代品，并且能夠很容易地用于目前正在使用Si-MOSFET和IGBT的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖表2給出了典型的650V共源共柵器件與其他寬帶隙器件和超級(jí)結(jié)Si-MOSFET的比較。

　　圖表2：SiC共源共柵與其他WBG器件和超級(jí)結(jié)MOSFET的比較。

　　其中一個(gè)最重要的參數(shù)是RDSA，意味著非常小的晶片尺寸，其他都基本相同。 這反過來導(dǎo)致低“米勒”輸入和輸出電容COSS，從而具有低開關(guān)損耗EOSS，以及一流的整體損耗品質(zhì)因數(shù)RDS * EOSS。在具備自然鉗位效應(yīng)的雪崩條件下，共源共柵有良好的性能表現(xiàn)，而GaN器件由于沒有標(biāo)稱雪崩則不然。共源共柵器件由于具有高飽和電流，可以針對(duì)通道產(chǎn)生“夾止效應(yīng)（pinching off）”，因而能夠很好地處理4μs或以上的瞬間短路。導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)也很有幫助。與其他器件不同，飽和電流不依賴于柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并且在升高到大約8V的VGS下依然能夠保持基本恒定。

　　盡管晶片尺寸較小，但熱傳導(dǎo)效率仍然很高，SiC的熱傳導(dǎo)率比GaN、Si以及有高TJ(MAX)值的典型WBG器件高三倍。

　　共源共柵器件允許的±25V柵極驅(qū)動(dòng)電壓寬幅變化意味著其與用Si或SiC MOSFET設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能夠直接兼容，所以在這些系統(tǒng)中可以用共源共柵器件代替原來的器件。即使是變化范圍典型值為+ 15 / -9V的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)也會(huì)很輕松地驅(qū)動(dòng)共源共柵，因而可以更新原來的舊開關(guān)技術(shù)以獲得更好性能，或者在舊器件過期的時(shí)候加以更換。一個(gè)電池充電器制造商的案例研究表明，用共源共柵器件替代IGBT可以在10kW級(jí)別節(jié)省1.5％的效率，并可提高30％的功率輸出[1]。如果柵極電壓擺幅調(diào)整到較低水平，共源共柵器件柵極電荷明顯少于IGBT，而且柵極驅(qū)動(dòng)功率要求也大大降低。

　　共源共柵器件可以使用熟悉的TO-247封裝，因此物理上可以插入IGBT或Si / SiC-MOSFET器件的插座，但對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路做微小改變可使該解決方案更加優(yōu)化。圖3所示的典型電路具有獨(dú)立的R（ON）和R（OFF）值，可以有效控制dV/dt和di/dt水平，鐵氧體磁珠根據(jù)布局需要來實(shí)施阻尼振蕩。由于實(shí)際上并不存在米勒電容，所以不需要柵極負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，以防止電流從漏極dV / dt注入柵極，從而引起虛假導(dǎo)通。無論如何，如同任何開關(guān)型器件一樣，在柵極周圍的布局應(yīng)該遵循所示的良好規(guī)范，以使源極連接中的電感最小化，這種連接可能將電壓瞬態(tài)從溝道di/dt耦合到柵極。

　　圖3：典型的SiC共源共柵柵極驅(qū)動(dòng)。