超共源共栅简史

2020-10-15 09:33:48 UnitedSiC

1939年，Hunt和Hickman^[1]萌发了使用共源共栅真空三极管作为稳压器的想法，然后，有人发现这种布置还可以替代音频放大器中的五极真空管，五极真空管噪音较大且较难偏压。现在，共源共栅又重回时尚潮流行列，成为碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）技术中常见的硅MOSFET和宽带隙常开型开关混合结构。这种结合优势明显，十分接近理想结果，会产生一种易于实现栅极驱动，具有低损耗和其他一系列优点的常关型开关。

自从应用于真空三极管之后，共源共栅结构从未远离人们的视野。它用作开关和放大器，并与MOSFET和双极面结型晶体管（BJT）结合，如“发射器开关”电路（图1a和1b）。共源共栅的一个常见主题是使用低压晶体管来控制高压晶体管。图1b显示的就是这种方法，图中，一个低成本高压BJT由一个易于驱动的低压MOSFET控制。仅“堆叠”高压器件就可以将这种控制延伸到更高的电压，如图1c所示。虽然利用BJT可以组装出额定值达到数kV的混合器件，但是基极偏压电路中的损耗会成为问题，而且如同开关一样，如果没有非常复杂的基极驱动布置，它们会非常慢。此外，BJT不会在“第三象限”从发射极到控制器的范围内导电，而硬开关或电机驱动等“换向”应用中需要这一特征，因此需要增加一个并联二极管。

图1：使用双极型晶体管和MOSFET的共源共栅电路

SiC FET – 一种现代共源共栅

共源共栅目前的最佳实施方案可能就是结合高压常开型SiC JFET和低压Si-MOSFET，即“SiC FET”（图2）。这种结合器件的开关时间仅为数纳秒，且具有固有的快速低损耗体二极管效应，可实现第三象限运行。它的开关能耗和栅极电荷非常低，而且相比IGBT、Si-MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT元件，它的单位晶粒面积的通导电阻性能表征为同类最佳。SiC FET拥有宽带隙器件的优势和高压高温额定值，而且易于实现栅极驱动，与传统Si-MOSFET和IGBT驱动兼容。SiC FET还拥有稳固的防短路和防雪崩特征。

图2：SiC FET – 一种现代共源共栅

在运行过程中，SiC FET由栅极处的负电压打开，该负电压会将Si-MOSFET沟道设置为导电，从而使SiC-JFET栅源短接，进而打开SiC FET。现在，电路中有电流通过，而且因为与高压SiC-JFET相比，低压Si-MOSFET的R_DS(on)非常低，所以导电损耗主要由SiC-JFET决定。要关闭器件，Si-MOSFET栅极设为0V，其漏极电压升高，直至SiC-JFET柵源在若干伏的负电压下达到“夹止”状态，从而关闭器件。由于器件电容比，Si-MOSFET漏极电压会动态地维持在低水平。

在更高电压下开关

对于约1000V以上的电压，作为开关，IGBT仍是一个有竞争力的经验证、低成本解决方案。IGBT不能非常快速地开关，不过它没有过高的损耗，这种损耗主要是由关闭时的“尾电流”引起的。开关速度慢意味着磁性元件的体积更大，成本更高，因此，由于MOSFET在较高频率下的能力，可以使用MOSFET，而Si和SiC类型成本高昂，在高压下尤其如此，且通导电阻高。当开关数kV电压时，由于在高压额定值下必然会有厚外延层，MOSFET会变得非常昂贵，选择有限，且通导电阻仍然较高。在大功率/电流下，MOSFET的大通导电阻带来的导电损耗要比IGBT大得多，而饱和压降相对固定。解决方法是并联高压MOSFET器件，但是这种做法的成本会攀升，栅极电容和输出电容也会增加，进而导致损耗升高，开关速度变慢，且需要更高的栅极驱动功率。在较大功率下使用的典型“桥”电路中，MOSFET的数量成倍增加，且栅极驱动变得复杂，需要隔离并使用低障壁电容的高侧驱动尤其如此，这会使实现较高栅极驱动功率变得更加困难。

Si-MOSFET和SiC-MOSFET都有可实现第三象限运行的体二极管，但是高压类型存储的电荷过多，尤其是在高温条件下，因而需要并联快速高压二极管，这会提高成本。

超共源共栅 — 理想的解决方案

SiC FET共源共栅已然胜过Si-MOSFET或SiC-MOSFET，至少可以用于标准的1700V额定电压下。对于更高电压，解决方案是图3中的“超共源共栅”，这是一种图1c的现代化等效方案，不过采用了一串SiC-JFET。

图3：采用SiC FET方法的“超共源共栅”拓扑

在这一布置中，多个SiC-JFET堆叠并偏压，以便M1和J1构成的共源共栅结构触发其他SiC-JFET随之打开和关闭，且在关闭状态下，电压均匀分布。SiC-JFET可以是现成的标准1700V类型，轻松堆叠就可以用于数kV额定值，而Si-MOSFET仍然是低压类型，并可以轻松实现栅极驱动。SiC-JFET器件电容现在以串联方式而非并联方式连接，因此动态损耗低。二极管D1-4限制SiC-JFET的闭塞电压，而电阻器则在关闭状态下提供二极管偏压电流。电容C1-4可以保证SiC-JFET电压的动态平衡，以及打开和关闭过程同步。

SiC-FET具有快速、低损耗的体二极管效应，无需并联二极管就可以实现第三象限运行，且保留了共源共栅出色的短路和雪崩额定值。

这种方法还有一部分好处非常显而易见，那就是Si-MOSFET中的过电流和短路非常容易察觉，Si-MOSFET可以用隔离的元件构造，通常以与主电流1:1000的比例提供电流检测信号。在共源共栅中，这一感应方法非常有用，不会产生自偏压，致使测量不准确。类似地，减饱和检测也更加容易，因为可以监视Si-MOSFET漏极电压，该电压永远不超过几伏，从而能够在检测电路中使用快速低压的肖特基二极管。

超共源共栅解决方案整体的组件成本低于并联MOSFET，损耗也较低，还能实现更快的开关速度。它的保护能力和功能都有所提高，栅极驱动简单，还有标准商用部件可以使用，从而显著缩短了最终产品开发时间，降低了风险。

实际结果

UnitedSiC^[2]自1999年开始一直在开发SiC FET，现已有一系列可靠性经过验证、制造流程完备、经过自动质量检测的标准部件。身为超共源共栅概念的先锋，UnitedSiC已经生产出额定值为4.5kV/40A，集成了图3部件与一个20V/5毫欧Si-MOSFET和五个1200V/14毫欧SiC JFET的器件（图4）。

图4：UnitedSiC生产的4.5kV，40A超共源共栅器件

根据测量，该器件打开时间为105ns，能耗E_ON为12.7mJ，关闭时间为56ns，能耗E_OFF为1.4mJ，总开关能耗E_TOT为14.1mJ。相比之下，类似额定值的IGBT的总能耗E_TOT为305mJ。在超共源共栅中，在2.3kV/25A下，反向恢复电荷Q_RR也非常低，在di/dt为1290A/µs时仅为1.61µC，与单个SiC肖特基二极管相当。

串联SiC JFET电压的动态平衡对部件的性能和可靠性至关重要，其测量值如图5所示，这表明了它具有出色的分担特征。

图5：UnitedSiC 4.5kV超共源共栅的动态电压均衡

UnitedSiC进一步推动了技术发展，生产出了6.5kV/200A半桥超共源共栅模块原型（图6），它的E_TOT值为184mJ，Q_RR值为14µC，都比拥有类似额定值的IGBT出色十倍以上。该模块适合许多应用，如固态转换器、风力应用、牵引应用和高压直流输电。未来还有一大应用领域是350-400kW电动车快速充电器，此充电器将使用4160VAC三相中压电源，且三电平逆变器内使用6.5kV/200A模块。