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Why SiC Cascode JFETs an Easy Si to SiC Transition? 作者：Brandon Becker，安森美電源解決方案事業(yè)部 (PSG) 營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 簡(jiǎn)介 電力電子器件高度依賴(lài)于硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）等半導體材料。雖然硅一直是傳統的選擇，但碳化硅器件憑借其優(yōu)異的性能與可靠性而越來(lái)越受歡迎。相較于硅，碳化硅具備多項技術(shù)優(yōu)勢（圖1），這使其在電動(dòng)汽車(chē)、數據中心，以及直流快充、儲能系統和光伏逆變器等能源基礎設施領(lǐng)域嶄露頭角，成為眾多應用中的新興首選技術(shù)。
什么是碳化硅Cascode JFET技術(shù)？ 眾多終端產(chǎn)品制造商已選擇碳化硅技術(shù)替代傳統硅技術(shù)，基于雙極結型晶體管（BJT）、結型場(chǎng)效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等器件開(kāi)發(fā)電源系統。這些器件因各自特性（優(yōu)缺點(diǎn)不同）而被應用于不同場(chǎng)景。 然而，安森美（onsemi）的EliteSiC 共源共柵結型場(chǎng)效應晶體管（Cascode JFET）器件（圖2）將這一技術(shù)推向了新高度。該器件基于獨特的"共源共柵（Cascode）"電路配置——將常開(kāi)型碳化硅JFET器件與硅MOSFET共同封裝，形成一個(gè)集成化的常閉型碳化硅FET器件。我們的碳化硅Cascode JFET能夠輕松、靈活地替代IGBT、超結MOSFET以及碳化硅MOSFET等任何器件類(lèi)型（圖3）。 本文將深入探討安森美EliteSiC Cascode JFET相較于同類(lèi)碳化硅MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢。 
圖 2：安森美碳化硅 Cascode JFET 器件框圖 碳化硅相較于硅的技術(shù)優(yōu)勢 與硅器件相比，碳化硅Cascode JFET具備多項優(yōu)勢。碳化硅作為寬禁帶材料，具有更高的擊穿電壓特性，這意味著(zhù)其器件可采用更薄的結構支持更高的電壓。此外，碳化硅相較于硅的其他優(yōu)勢還包括： 對于給定的電壓與電阻等級，碳化硅可實(shí)現更高的工作頻率，從而縮小元器件尺寸，顯著(zhù)降低系統整體尺寸與成本。 在較高電壓等級（1200V 或更高）應用中，碳化硅可以較低功率損耗實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)。 而硅器件在此電壓范圍內幾乎無(wú)法勝任。 在任何給定的封裝中，與硅相比，碳化硅器件具備更低的導通電阻（RDS(ON)）和開(kāi)關(guān)損耗。 在與硅器件相同的設計中，碳化硅能提供更高的效率和更出色的散熱性能，甚至更高的系統額定功率。 碳化硅Cascode JFET： 無(wú)縫升級替代硅基方案，卓越性能全面釋放 這些優(yōu)勢也體現在安森美 EliteSiC Cascode JFET 的性能中，這是一種更新且功能更強大的器件，針對多種功率應用進(jìn)行了優(yōu)化。 與硅基柵極驅動(dòng)器兼容： 實(shí)現向碳化硅的無(wú)縫過(guò)渡 首先，碳化硅Cascode JFET 的結構允許使用標準硅基柵極驅動(dòng)器。 這簡(jiǎn)化了從硅基到碳化硅設計的過(guò)渡，提供了更大的設計靈活性。它們與各種類(lèi)型的柵極驅動(dòng)器兼容，包括為 IGBT、硅超結 MOSFET 和 碳化硅MOSFET 設計的驅動(dòng)器。
圖 3：按電壓分類(lèi)的功率半導體器件 其他優(yōu)勢 • 在給定封裝中，擁有業(yè)內領(lǐng)先的漏源導通電阻RDS(ON)，可最大程度地提高系統效率。 • 更低的電容允許更快的開(kāi)關(guān)速度，因此可以實(shí)現更高的工作頻率；這進(jìn)一步減小了如電感器和電容器等大體積無(wú)源元件的尺寸。 • 與傳統應用于這一細分領(lǐng)域的硅基IGBT相比，碳化硅Cascode JFET在更高電壓等級（1200V或以上）下能夠實(shí)現更高的工作頻率，而硅基IGBT通常速度較慢，僅能在較低頻率下使用，因此開(kāi)關(guān)損耗較高。 • 安森美EliteSiC Cascode JFET器件在給定RDS(ON) 的條件下，實(shí)現更小的裸片尺寸，并減輕了碳化硅 MOSFET常見(jiàn)的柵極氧化層可靠性問(wèn)題。 SiC MOSFET vs. 安森美SiC Cascode JFET:深入對比 讓我們花一點(diǎn)時(shí)間來(lái)更深入地了解SiC MOSFET 與 安森美SiC JFET 技術(shù)之間的差異。 從下面的圖 3 中我們可以看到，SiCMOSFET 技術(shù)不同于安森美的集成式SiCCascode JFET——這是精心設計的結果。安森美設計的SiCJFET去掉了碳化硅MOSFET 的柵極氧化層，這不僅消除了溝道電阻，還讓裸片尺寸更為緊湊。 安森美碳化硅 JFET 較小的裸片尺寸成為其差異化優(yōu)勢的一個(gè)關(guān)鍵所在，"RDS(ON) x A"（RdsA）品質(zhì)因數 (FOM) 得以最佳體現，如圖 4 所示。這意味著(zhù)對于給定的芯片尺寸，SiCJFET 具有更低的導通電阻額定值，或者換言之，在相同的 RDS(ON) 下，安森美SiC JFET 的裸片尺寸更小。安森美在 RdsA FOM 方面的卓越表現樹(shù)立了行業(yè)領(lǐng)先地位，體現在以相對較小的行業(yè)標準封裝（如 TOLL 和 D2PAK）提供的超低額定電阻產(chǎn)品。
圖 4：碳化硅MOSFET 與安森美Cascode JFET 的比較 (從外部看，Cascode 是一種常關(guān) FET） 與SiCMOSFET 相比，EliteSiC Cascode JFET 具有更低的輸出電容 Coss。輸出電容較低的器件在低負載電流下開(kāi)關(guān)速度更快，電容充電延遲時(shí)間更短。這意味著(zhù)，由于減少了對電感器和電容器等大體積無(wú)源元件的需求，現在可以制造出更小、更輕、成本更低且功率密度更高的終端設備。
圖 5：安森美碳化硅Cascode JFET 與碳化硅 MOSFET 的競爭產(chǎn)品對比 以下是關(guān)于SiCMOSFET的其他挑戰： • 碳化硅MOS 溝道電阻高，導致電子遷移率較低。 • Vth 在柵極偏置較高的情況下會(huì )發(fā)生漂移，這意味著(zhù)柵極到源極的電壓驅動(dòng)范圍受到限制。 • 體二極管具有較高的拐點(diǎn)電壓，因此需要同步整流。 然而，使用安森美的SiCJFET，上述缺陷得以根本解決，因為： • SiCJFET 結構的器件上摒棄 MOS（金屬氧化物）結構，因此器件更加可靠。 • 在相同芯片面積下，漏極至源極電阻更低。 • 電容更低，這意味著(zhù)更快的開(kāi)關(guān)轉換和更高的頻率。 為什么選擇安森美EliteSiC Cascode JFET？ 盡管市場(chǎng)上可供選擇的SiC功率半導體種類(lèi)繁多，但在某些特定應用中，一些器件的表現確實(shí)比其他器件更為出色。安森美的集成式SiC Cascode JFET 便是其中的佼佼者，因其低 RDS(ON)、低輸出電容和高可靠性等獨特優(yōu)勢，能夠提供卓越的性能。此外，碳化硅 Cascode JFET架構使用標準硅基柵極驅動(dòng)器，簡(jiǎn)化了從硅到碳化硅的過(guò)渡過(guò)程，可在現有設計中實(shí)施。 因此，它為從硅到碳化硅的過(guò)渡提供了靈活性--實(shí)施簡(jiǎn)單，同時(shí)得益于SiC技術(shù)而提供卓越的性能。
圖 6：EliteSiC Cascode JFET 這些優(yōu)點(diǎn)幫助安森美的SiCCascode JFET 技術(shù)在其他技術(shù)無(wú)法企及的領(lǐng)域大放異彩。 碳化硅JFET 的增強性能使其在用于人工智能數據中心、儲能和直流快充等 AC-DC 電源單元中實(shí)現更高的效率。隨著(zhù)對更高功率密度和更緊湊外形需求的增加，安森美SiCCascode JFET 能夠實(shí)現更小、更輕和更低成本的終端設備。由于減少了對電感器和電容器等大體積無(wú)源元件的需求，有助于實(shí)現更高的功率密度。 訪(fǎng)問(wèn)我們的 EliteSiC JFET 產(chǎn)品頁(yè)面，了解我們的產(chǎn)品。 閱讀SiCCascode JFET應用指南了解更多詳情。 |
