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（包括雪崩模式和發散振蕩）的性能，并研究了它們在利用零電壓開關的電路中的性能。

碳化硅（SiC）共源共柵具有主要特性，如芯片面積的歸一化導通電阻（RDSA）、器件電容和易于柵極驅動。然而，設計師們非常謹慎，他們明白頭條新聞并不總是故事的全部。我們很自然地對改變幾十年來被證明很強大的技術持謹慎態度，例如IGBT，但這些設備在電壓應力和外部故障的真實動態條件下的作用是一個特別值得關注的領域。

超越雪崩

級聯共源共柵的優點在于使用了低壓Si-MOSFET，它與常開SiCJFET結合使用，使器件具有整體低導通電阻、快速體二極管和易于柵極驅動（圖1）。

圖1.SiC級聯

有些人可能會擔心，MOSFET可能會動態地看到高漏極電壓，并在被驅動關閉時在正常運行中進入雪崩模式。這會導致額外的損失甚至設備故障嗎？在由橫向結構的GaNHEMT單元形成的級聯中，這是一種真正的可能性，因為GaN器件的有限漏源電容CDS與Si-MOSFET的CDS形成“下降”，并且可以動態地留下高壓在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”結構，SiC-JFETCDS值非常小，因此Si-MOSFET幾乎不會看到來自下拉效應的高壓。

圖2.SiMOSFET和GaNHEMT單元的級聯排列，電壓動態“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，以保護設備免受感性負載產生的瞬態影響。GaN共源共柵沒有雪崩額定值，只會因過壓而失效，而SiC共源共柵JFET的柵漏二極管發生擊穿，使電流通過RG，降低電壓以打開JFET。Si-MOSFET現在會發生雪崩，但如果雪崩二極管內置在每個單元中，則以受控方式進行。為了消除對這種蓄意雪崩效應可能造成破壞的擔憂，UnitedSiC等制造商通過在150°C下偏向雪崩的部件證明了這一點，該部件可以運行1000小時。作為一項額外的置信度測量，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

另一種情況是SiC共源共柵分數的低CDS出現在使用零電壓開關（ZVS）的電路中；僅當負載電壓以共振方式降至零伏時，才允許電源開關改變狀態，從而實現無損轉換（圖3）。

圖3.電壓下降時的過渡產生零電壓開關

如果共源共柵中高壓開關的CDS值較高，則存在通過它的感應電流可以將其柵源電容與Si-MOSFET漏源電容一起放電的危險，從而使高壓開關過早導通在漏極電壓變為零之前。在這種情況下，ZVS丟失，功率耗散。SiC-CascodeJFET中沒有CDS意味著該效應不會發生。

發散振蕩

當級聯第一次與用于高壓和低壓開關的分立器件組裝時，發現了一種稱為發散振蕩的類似效應。不同封裝中的不同技術設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，在大電流下關斷時，高壓開關的有限CDS值可能與封裝電感發生共振，從而導致電流注入共源共柵中點。電流可能會部分打開高壓開關，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幅度的效果。

結果是失控或“發散”振蕩，可能導致耗散和設備故障（圖4）。該論文提出在中點使用耗散RC緩沖器是一種解決方案，但實際上發現只有一個電容器是有效的。不過，這必須是幾個納法拉，并且確實會導致一些額外的損失，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，并且高低壓開關的共同封裝將封裝電感降低到較低值，同時允許利用共源共柵的全部高頻能力。

圖4.發散振蕩

碳化硅級聯是穩健的

當Si-MOSFET是為應用定制設計并與JFET共同封裝時，SiC共源共柵會發揮最佳性能。以這種方式實現時，MOSFET不會承受電壓應力并提供快速體二極管。JFET有效地控制了器件的導通電阻和耐壓特性，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（如超結MOSFET和GaNHEMT單元）所見的高CDS值的各種損耗誘導效應。