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SiC JFET Cascode应用指南完整版:Cascode结构和开关特性

2025-4-8 08:36| 发布者: 闪电| 查看: 4| 评论: 0

摘要: 碳化硅结型场效应晶体管(SiC JFET)相比其他竞争技术具有一些显著的优势,特别是在给定芯片面积下的低导通电阻(称为RDS.A)。为了实现最低的RDS.A,需要权衡的一点是其常开特性,这意味着如果没有栅源电压,或者JF ...

雪崩结束后,随着JFET完成关断瞬态,MOSFET的VDS将稳定在接近JFET阈值电压的水平。若此时源极电感噪声过大,就会超过 JFET VGS与 JFET 阈值电压之间的差值,从而导致 JFET 误导通。 Cascode结构尤其受益于配备独立Kelvin源极引脚的封装设计。该设计通过消除栅极驱动回路中负载电流感应电压,有效抑制 Cascode栅极(即其内部MOSFET栅极)的振铃,进而降低内部JFET栅极的振铃。类似原理亦适用于导通过程: Cascode中MOSFET的快速导通可缩短其VDS接近JFET阈值电压的持续时间,从而提升抗噪声能力。


图6 续流 Cascode在“反向恢复”过程中的状态转换


现在,让我们考虑一个如图 6(a)所示的续流 Cascode。即使MOSFET在死区时间内被栅极关断,续流 Cascode的 MOSFET 仍能保持 JFET 导通。电流需换向到另一个 Cascode(本例中为下方)并反向,上方 Cascode才能支持漏极-源极电压。续流 Cascode中JFET的栅源电压(VGS)必须从略高于正值转变为低于JFET阈值电压的负值。


首先,续流 Cascode的 MOSFET 会经历真正的反向恢复,由于 30 V MOSFET 的少数载流子寿命很短,此过程速度极快且电荷量极小,如图 6(b) 所示。随后,与前述硬开关关断类似,MOSFET通常进入雪崩状态。JFET的VGS变化取决于其输出电容(栅漏电容)与片上栅极电阻。


与此同时,电流继续流过续流 JFET 及其 MOSFET,直到 JFET 完成关断序列,如图 6(c)所示。其中只有一小部分电流来自续流 Cascode的 MOSFET 体二极管,大部分反向恢复电荷来自续流 Cascode中 JFET 关断时的电流。这种 Cascode反向恢复效应与温度无关,在很大程度上也与电流无关,因为它取决于 JFET 栅极-漏极电容和 JFET 栅极电阻。无论电流大小,恢复电荷都大致相同,这使得大电流下的开关波形看起来相当不错,但在小电流下会产生相对较高的 Eon


图 7 UF4SC120023K4S(1200 V、23 mΩ第四代 Cascode器件)的开关损耗-电流关系曲线


Cascode器件数据手册中呈现的Eon与电流曲线偏移(基于感性负载硬开关半桥测试数据)直观体现了这一反向恢复效应。图 7 显示了一个通过推断得到的 Eon曲线的示例,若能在接近零电流条件下测量Eon,其值几乎完全由续流 Cascode的反向恢复过程引起的。


☑ Cascode 的权衡

SiC JFET  Cascode 结构与 SiC MOSFET 的权衡因素截然不同。在 SiC 上制造 MOS 栅极的挑战与 Cascode 结构无关。 Cascode结构的基本权衡因素在于反向恢复电荷效应及其相关的硬开关导通损耗与关断时的电压过冲、以及易产生振铃和振荡之间的平衡。调节这一权衡的主要“调节点”是 Cascode 中 JFET 的栅极电阻,但由于其封装在器件内部而无法调整,因此需依赖外部缓冲电路和栅极电阻来调节开关。


较高的 JFET 栅极电阻会减慢 Cascode 开关压摆率,从而使器件更易于使用,但代价是较高的反向恢复电荷和硬开关导通损耗。 Gen3 "UJ3 "系列器件提供了这种选择,其内部 JFET 栅极电阻高于安森美(onsemi)所有其他 Cascode产品。UJ3 系列尤其适用于软开关及低频应用场景。而 安森美第三代 "UF3" 系列及所有第四代 Cascode 产品则专门进行了优化以实现行业领先的总开关损耗,同时具有更高的开关压摆率。


☑ 应用支持

您可以点击阅读原文查看SiC FET设计技巧页面找到更多资源以及链接到其他应用笔记和视频。我们也提供专家技术支持服务。


结语
  •  Cascode 配置是在开关模式应用中利用常开型SiC JFET的低RDS.A的一种方法。

  • 灵活的栅极驱动、快速关断以及低RDS. Coss使得 Cascode 在软开关应用中表现出色。

  • 没有栅漏电容带来了低栅极电荷,但同时也限制了栅极电阻对开关速度的控制,因此 Cascode可利用缓冲电路来调节固有的快速关断速度。

  •  Cascode硬开关反向恢复效应在很大程度上与温度和电流无关。

  • 使用Kelvin源连接和尽可能小的栅极电阻时, Cascode 工作效果最佳。

  • 可提供用户指南、应用笔记、视频、仿真文件、免费在线仿真工具和计算器软件以及专业的技术支持。


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