原标题：采用碳化硅JFET实现完美开关

　　碳化硅 (SiC) JFET 坚固耐用，具有高能量雪崩和短路耐受额定值，并且显着的是，它们在单位芯片面积的FOM导通电阻方面优于所有其他技术 RDS(开启) × 一个，达到接近材料理论极限的值(图1)。这种品质因数直接关系到开关的实际性能及其经济性，与竞争技术相比，每个晶圆的芯片更多，性能相当。

　　图1：理论极限 RDS(开启) × 一个 带击穿电压的开关技术

　　我们还能做得更好吗?

　　碳化硅级联码 从 联合碳化硅 (现在的Qorvo)在许多应用程序中具有显着优势，但它们能更好吗?该器件包括一个采用级联排列的 SiC JFET 和 Si-MOSFET，以实现常关特性。从细节上看，形成如图2所示的级联代码，Si-MOSFET切换SiC JFET的源极，以便在Si-MOSFET关闭时，JFET源极浮动为正，关闭JFET。当 MOSFET 导通时，JFET 栅极和源极有效短路，导通。

　　图 2：SiC FET 的正常级联排列

　　级联配置使该器件易于使用，易于栅极驱动，但降低了可控性。级联开关速度主要由JFET栅极-漏极电容和内部串联电阻R决定G 从JFET栅极到Si-MOSFET源极。RG 是预定义的值，不可访问。 Si-MOSFET 栅极对速度的影响有限，因为几乎没有 JFET 漏源电容，否则该电容会通过其自身的栅极-漏极电容将电流反馈回 MOSFET 栅极，从而允许使用 MOSFET 栅极电阻器控制压摆率。对于硬开关，压摆率控制是通过增加一个外部缓冲器来实现的，这可能是一个可行的解决方案，几乎没有额外的功耗。UnitedSiC 为级联 a 提供推荐的缓冲器和栅极电阻值 碳化硅场效应管“用户指南”.

　　级联排列的另一个特点是，当级联串联形成桥段时，具有显著的反向恢复效应。这不是来自寄生体二极管，而是由于续流级联的JFET在其栅极电容放电时延迟关闭而导致的短暂重叠。结果是反向恢复电荷在很大程度上与温度和电流无关。这种恢复电荷直接影响导通开关损耗。

　　在某些方面，JFET本身将是一个更好的开关，最重要的是：简单的压摆率控制，甚至更低的导通电阻和更低的反向恢复电荷。

　　隔离碳化硅JFET栅极，提高灵活性

　　对于较低开关频率的应用，更好的安排是将JFET栅极引出到外部连接，如图3所示。Si-MOSFET现在可以简单地视为一个“使能”，可用于确保启动时或控制功率异常丢失期间处于关断状态。

　　图 3：SiC JFET + Si MOSFET“双栅极”UnitedSiC(现为 Qorvo)部件

　　直接控制JFET栅极时，无漏源电容，输出电容C开放源码软件 实际上是 JFET 栅极漏极电容 C广东，完全由栅极驱动器而不是负载充电。这意味着开关速度可以直接由栅极电阻控制，并联也得到了简化。外部缓冲器现在是可选的，节省了空间和成本。当用于桥式电路时，恢复充电效果来自对输出电容(C广东) 的续流 JFET;其栅极电压不变。因此，反向恢复效应大大降低，从而降低E。上. 关断速度明显低于传统级联速度，这在电机驱动和SSCB/SSR应用中是理想的，但可能会有太多的E关闭 DC/DC 转换器和其他 SMPS 应用的损耗。

　　第三象限权衡

　　当电流在栅极关闭的情况下从源极流向漏极时，直接驱动的JFET在第三象限中的工作方式不同。标准级联反向导通通过 Si-MOSFET 体二极管，并导致 JFET 沟道导通，从而产生低 V标清：硅二极管压降加上JFET导通电阻。对于双栅极部分，如果JFET的栅极导通，或者JFET栅极-漏极电压超过其阈值电压，反向电流将流过JFET。换句话说，在桥接电路死区时间内，V标清 将包括一个“拐点电压”，等于栅极被驱动比阈值电压加JFET导通电阻更负的电压。这可能是几伏特。 在开关频率为10至20 kHz的电机驱动中，这种死区时间功率损耗微不足道，在SSCB/SSR应用中完全无关紧要。 对于更高频率的SMPS应用，反并联 碳化硅二极管 需要添加。 反并联二极管可能很小，因为它仅在死区时间内承载峰值电流。

　　还有更多的收获

　　到目前为止，我们可以直接控制开关速度并大大降低反向恢复电荷，但还有一个容易实现的优势。在标准级联代码中，JFET 通过其栅极被 Si-MOSFET 源短路而导通。使用双栅极部分，导通电压可以设置为正一点，从而进一步增强JFET沟道，从而使R降低约15%DS(开启)，开启速度更快，对关闭没有影响。在所有工作温度下，正2 V驱动低于JFET栅极-源极PN结的“拐点”，因此只有很小的栅极电流流过。该电流约为几毫安，因此少数载流子注入可以忽略不计。这是显著降低传导损耗的简单方法。

　　正栅极驱动还有另一个优点：JFET栅源二极管压降可用作实时片内温度测量的温度敏感参数。例如，-3.22 mV/°C 是线性 V一般事务人员 联合碳化硅第 3 代 1200 V JFET 的温度系数。因此，通过测量导通状态下的栅源电压和栅极电流，可以直接检测管芯温度。

　　确定管芯温度的一种更简单的方法是测量Si-MOSFET的栅极漏电流。 但请注意，由于部件之间的差异，这需要校准。与 JFET V 一样一般事务人员，MOSFET栅极泄漏(很小)与温度直接相关。通过将 Si-MOSFET 芯片堆叠在 JFET 芯片的顶部，因此可以精确测量 MOSFET 和 JFET 温度。Si-MOSFET通常保持导通状态，因此使用差分放大器测量其栅极电阻两端的静态电压是检测温度的简单方法。

　　实用电路说明了该技术

　　驱动 JFET 的栅极可能看起来很陌生，关断状态需要负电压，导通状态需要 ≥ 0 伏电压，但实际上它可能与驱动硅或 SiC MOSFET 非常相似，无论如何它们通常都是负驱动(图 4)。

　　图 4：使用标准驱动器和缓冲器直接与级联 JFET 栅极接口

　　在电路中，唯一的附加元件是缓冲器Q1，它将标准驱动器U1导通状态输出从+15 V电平转换到通过稳压器供电的+2 V。Q1 中的较低 MOSFET 是可选的 – 所示驱动器 IC 具有可直接使用的关断状态输出，但 U1 中的 MOSFET 可提供更大的电流容量，这对于并联器件非常有用。双栅极部分的Si-MOSFET由另一个隔离驱动器控制。在直流母线通电但驱动器断电的情况下，齐纳二极管D2和D3确保JFET恢复到级联操作并保持关断状态。传统的DESAT检测通常包含在驱动器中，这可以通过原理图中的JFET通过R4和D1实现。

　　结论

　　总而言之，只需毫不费力地将键合线更改为已经领先的 SiC JFET 堆叠芯片级联码，即可提取单个 SiC JFET 的所有优点：简单的开关速度控制、更低的导通电阻和低得多的反向恢复电荷，以及实时温度检测选项的额外功能。有了这个，完美的开关就更近了一点。