超共源共柵簡(jiǎn)史

盡管寬帶隙半導(dǎo)體已在功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用中略有小成，但在由 IGBT 占主導(dǎo)的高電壓/高功率領(lǐng)域仍未有建樹。然而，使用 SiC FET 的 “超共源共柵” 將打破現(xiàn)有局面。讓我們一起來(lái)了解超共源共柵的歷史，并探討如何將其重新用于優(yōu)化現(xiàn)代設(shè)計(jì)。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動(dòng)汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

上了年紀(jì)的設(shè)計(jì)師在看到 “超共源共柵” 一詞時(shí)，可能會(huì)聯(lián)想到 Admiral 的 24 英寸 30 系列電視機(jī)。該系列號(hào)稱 “機(jī)箱采用超共源共柵結(jié)構(gòu)，配有額外的真空管，可提供出色的功率和零干擾接收性能，同時(shí)還內(nèi)置了全向天線”。甚至有一個(gè)帶電線的遙控器。如今，超共源共柵另有含義。從 1939 年的管式穩(wěn)壓器，到早期的音頻放大器，再到高電壓應(yīng)用中的雙極晶體管堆棧，我們可以了解到這個(gè)詞的起源。目前我們尚不清楚電視機(jī)箱描述中的 “超” 一詞是否只是 “非常棒” 的意思，但是對(duì)額外真空管的描述似乎暗示了現(xiàn)在常說(shuō)的超共源共柵的早期布局，也就是由一個(gè)硅 MOSFET 控制的 SiC 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)堆棧。

那么，此概念是如何重現(xiàn)于視野的呢？開(kāi)關(guān)式電源和逆變器是現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換的常用工具，根據(jù)功率和電壓電平的不同，其各自使用的半導(dǎo)體類型不盡相同。IGBT 是一種成熟的低成本解決方案，但僅在低頻下開(kāi)關(guān)時(shí)才能保持低損耗，同時(shí)還需要使用大型且昂貴的相關(guān)磁性組件。Si-MOSFET 可在更高頻率下使用，但如果不借助高成本的專用組件，電壓將會(huì)限制在 1000V 左右。此外在高功率、高電壓時(shí)，Si-MOSFET 的導(dǎo)通電阻較高、效率較低，同時(shí)導(dǎo)電損耗顯著，而且在能量回收水平較高時(shí)，其體二極管的用處不大。這里給出的解決方案，在外部并聯(lián)二極管以實(shí)現(xiàn) “第三象限” 操作，同時(shí)使用額外的低壓阻斷肖特基二極管來(lái)阻止電流流向 MOSFET 體二極管，但這會(huì)進(jìn)一步增加成本，提高導(dǎo)電損耗。并聯(lián) MOSFET 可解決導(dǎo)電損耗問(wèn)題，但這會(huì)使動(dòng)態(tài)損耗更高，讓電流監(jiān)測(cè)變復(fù)雜，且額定電壓仍會(huì)受限。

SiC 半導(dǎo)體固有的高電壓特性使其成為更優(yōu)解決方案，但用作 SiC MOSFET 的體二極管性能較差，需搭配精心設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。此時(shí)，“共源共柵” 或 “SiC FET” 進(jìn)入了人們的視野，通過(guò)結(jié)合 Si-MOSFET 與常開(kāi) SiC JFET，就可以得到一個(gè)常閉快速混合開(kāi)關(guān)。其體二極管具有低傳導(dǎo)損耗、低損耗的特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)單的非臨界柵極驅(qū)動(dòng)。

SiC FET 是邁向理想開(kāi)關(guān)的重大進(jìn)步。UnitedSiC 現(xiàn)提供額定電壓高達(dá) 1700V 的 SiC FET 產(chǎn)品，但在更高電壓的應(yīng)用中，IGBT 似乎仍是唯一可行的解決方案。不過(guò)，共源共柵或 SiC FET 的實(shí)踐歷史非常豐富，使用數(shù)個(gè) SiC JFET 堆棧（而不是單個(gè)器件）配置的 “超共源共柵” 可實(shí)現(xiàn)更高的額定電壓。如圖所示。

電路中的無(wú)源組件尺寸小巧，可用于偏置和平衡串聯(lián)的JFET (J1-J5) 兩端的電壓，而 Si-MOSFET M1 則是具有標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的低壓型組件。為實(shí)現(xiàn)更高的額定電壓，我們可以將更多的 SiC JFET 器件或完整的超共源共柵模塊堆疊在一起。UnitedSiC 展示的一個(gè) 40kV/1A 開(kāi)關(guān)模塊為我們提供了示例，該模塊共使用了 30 個(gè)額定電壓值為 1700V 的 SiC JFET 晶粒，最后測(cè)得組合導(dǎo)通電阻僅為 30 歐姆。

圖：使用 5 個(gè) SiC JFET 實(shí)現(xiàn)額定電壓約為 5kV 的 SiC FET “超共源共柵”

超共源共柵解決方案的一個(gè)好處在于，電流監(jiān)測(cè)變得簡(jiǎn)單了。借助用隔離元件構(gòu)建的單個(gè) Si-MOSFET，我們通常能以 1:1000 的感測(cè)比例監(jiān)測(cè)電流狀況。去飽和檢測(cè)也變得更加簡(jiǎn)單，因?yàn)槲覀兛梢员O(jiān)測(cè) Si-MOSFET 的漏級(jí)，其電壓在導(dǎo)通或阻斷狀態(tài)下通常僅為幾伏特。

該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)或許是能夠在堆棧中使用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成部件。這些部件均經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證且成本較低，在考慮不同高頻開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)時(shí)，其整體成本比并聯(lián) MOSFET 甚至 IGBT 都更低。由此，最終產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間得以縮短，風(fēng)險(xiǎn)也得以降低。

超共源共柵的損耗非常低，是未來(lái)高功率、高頻率開(kāi)關(guān)應(yīng)用的理想選擇，將會(huì)應(yīng)用于電動(dòng)汽車快速充電器、牽引逆變器、可再生能源等領(lǐng)域。相關(guān)組件將采用標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝，不過(guò)我猜應(yīng)該不會(huì)像 Admiral 電視那樣采用楓木、胡桃木或紅木色調(diào)。