本文作者：JonathanDodge,P.E.,Mike Zhu, Shusun Qu ,Mike Tian

隨著Al工作負(fù)載日趨復(fù)雜和高耗能，能提供高能效并能夠處理高壓的可靠SiCJFET將越來(lái)越重要。我們將詳細(xì)介紹安森美(onsemi)SiC cascode JFET，內(nèi)容包括Cascode（共源共柵）關(guān)鍵參數(shù)和并聯(lián)振蕩的分析，以及設(shè)計(jì)指南。本文為第一篇，聚焦Cascode產(chǎn)品介紹、Cascode背景知識(shí)和并聯(lián)設(shè)計(jì)。

簡(jiǎn)介

大電流操作通常需要直接并聯(lián)功率半導(dǎo)體器件。出于成本或布局的考慮，并聯(lián)分立器件通常是優(yōu)選方案。另一種替代方案是使用功率模塊，但這些模塊實(shí)際上也是通過(guò)并聯(lián)芯片實(shí)現(xiàn)的。本文總結(jié)了適用于所有并聯(lián)電壓柵控型功率半導(dǎo)體（如SiC JFET cascode、SiC MOSFET、Si MOSFET、IGBT等）的通用最佳實(shí)踐方案。并聯(lián)Cascode等高增益器件尤其具有挑戰(zhàn)性。遵循這些實(shí)踐方案有助于成功實(shí)現(xiàn) SiC JFET cascode的并聯(lián)工作。

Cascode背景知識(shí)

如圖 1 所示，cascode 結(jié)構(gòu)是由一個(gè)常開(kāi) SiC JFET（碳化硅結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管） 與一個(gè)低壓 Si MOSFET （硅金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）串聯(lián)而成。JFET的 柵極直接連接到 MOSFET 的源極，JFET 的柵極電阻是 JFET 芯片的一部分。

MOSFET 漏極-源極電壓是 JFET 柵極-源極電壓的反相，從而使cascode 結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)常關(guān)特性。正如《Cascode入門(mén)》中所述，Cascode與其他功率晶體管的主要區(qū)別在于，一旦 VDS超過(guò) JFET 的閾值電壓，就沒(méi)有柵極-漏極電容。 這是因?yàn)?JFET 沒(méi)有漏極-源極電容，因此Cascode結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)速度極快。 這一特性與寄生電感問(wèn)題相結(jié)合，是Cascode并聯(lián)工作中需要解決的核心問(wèn)題。

圖 1 帶雜散阻抗的Cascode結(jié)構(gòu)

并聯(lián)的挑戰(zhàn)

靜態(tài)電流失配

靜態(tài)電流失配是指并聯(lián)器件在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)穩(wěn)定后，并聯(lián)器件之間的電流不匹配現(xiàn)象。對(duì)于具有熱不穩(wěn)定性（如負(fù)溫度系數(shù)導(dǎo)通電阻的舊式硅二極管或穿通型IGBT）的器件尤其值得關(guān)注。如果各個(gè)器件導(dǎo)通電阻的變化（分布）足夠?。唇?jīng)過(guò)分選的器件），并且為了彌補(bǔ)不可避免的電流失配而留有裕量，則具有負(fù)溫度系數(shù)的器件可以成功并聯(lián)。

有一個(gè)廣為流傳的誤解，認(rèn)為正溫度系數(shù)導(dǎo)通電阻能強(qiáng)制均流，從而有利于并聯(lián)。實(shí)際上，正溫度系數(shù)僅確保熱穩(wěn)定性。現(xiàn)代功率半導(dǎo)體（包括 SiC JFET、SiC MOSFET、場(chǎng)截止 IGBT 等）的參數(shù)分布較窄，這進(jìn)一步強(qiáng)化了人們對(duì)于正溫度系數(shù)在均流方面具有強(qiáng)大作用的看法，但決定靜態(tài)均流的是參數(shù)分布和共同的散熱裝置。

動(dòng)態(tài)電流失配

圖2 閾值電壓失配導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)電流失配

動(dòng)態(tài)電流失配是由MOS柵控器件和JFET器件固有的器件間閾值電壓變化、電流環(huán)路的不對(duì)稱性以及柵極驅(qū)動(dòng)器之間傳播時(shí)延差異（如果適用的話）所引起的。閾值電壓較低的部件會(huì)較早導(dǎo)通、較晚關(guān)斷，因此會(huì)產(chǎn)生更多的硬開(kāi)關(guān)損耗。在開(kāi)關(guān)頻率非常高的情況下，這種情況更加令人擔(dān)憂。

圖2顯示了兩個(gè)并聯(lián)cascode電路在導(dǎo)通時(shí)的動(dòng)態(tài)失配。電流失配迅速減小是典型的現(xiàn)象，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)均流主要由RDS(on)決定。在計(jì)算中，使用數(shù)據(jù)表中RDS(on)和RθJC的最大值，可以為并聯(lián)時(shí)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流失配提供安全裕量。

并聯(lián)設(shè)計(jì)還有哪些挑戰(zhàn)？后續(xù)推文我們將繼續(xù)介紹。