【導讀】電力電子器件高度依賴于硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）等半導體材料。雖然硅一直是傳統(tǒng)的選擇，但碳化硅器件憑借其優(yōu)異的性能與可靠性而越來越受歡迎。相較于硅，碳化硅具備多項技術優(yōu)勢（圖1），這使其在電動汽車、數(shù)據(jù)中心，以及直流快充、儲能系統(tǒng)和光伏逆變器等能源基礎設施領域嶄露頭角，成為眾多應用中的新興首選技術。
簡介
電力電子器件高度依賴于硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）等半導體材料。雖然硅一直是傳統(tǒng)的選擇，但碳化硅器件憑借其優(yōu)異的性能與可靠性而越來越受歡迎。相較于硅，碳化硅具備多項技術優(yōu)勢（圖1），這使其在電動汽車、數(shù)據(jù)中心，以及直流快充、儲能系統(tǒng)和光伏逆變器等能源基礎設施領域嶄露頭角，成為眾多應用中的新興首選技術。
圖 1：硅器件（Si）與碳化硅（SiC）器件的比較
什么是碳化硅Cascode JFET技術？
眾多終端產(chǎn)品制造商已選擇碳化硅技術替代傳統(tǒng)硅技術，基于雙極結型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等器件開發(fā)電源系統(tǒng)。這些器件因各自特性（優(yōu)缺點不同）而被應用于不同場景。
然而，安森美（onsemi）的EliteSiC 共源共柵結型場效應晶體管（Cascode JFET）器件（圖2）將這一技術推向了新高度。該器件基于獨特的"共源共柵（Cascode）"電路配置——將常開型碳化硅JFET器件與硅MOSFET共同封裝，形成一個集成化的常閉型碳化硅FET器件。我們的碳化硅Cascode JFET能夠輕松、靈活地替代IGBT、超結MOSFET以及碳化硅MOSFET等任何器件類型（圖3）。
本文將深入探討安森美EliteSiC Cascode JFET相較于同類碳化硅MOSFET的技術優(yōu)勢。
圖 2：安森美碳化硅 Cascode JFET 器件框圖
碳化硅相較于硅的技術優(yōu)勢
與硅器件相比，碳化硅Cascode JFET具備多項優(yōu)勢。碳化硅作為寬禁帶材料，具有更高的擊穿電壓特性，這意味著其器件可采用更薄的結構支持更高的電壓。此外，碳化硅相較于硅的其他優(yōu)勢還包括：
l 對于給定的電壓與電阻等級，碳化硅可實現(xiàn)更高的工作頻率，從而縮小元器件尺寸，顯著降低系統(tǒng)整體尺寸與成本。
l 在較高電壓等級（1200V 或更高）應用中，碳化硅可以較低功率損耗實現(xiàn)高頻開關。 而硅器件在此電壓范圍內幾乎無法勝任。
l 在任何給定的封裝中，與硅相比，碳化硅器件具備更低的導通電阻（RDS(ON)）和開關損耗。
l 在與硅器件相同的設計中，碳化硅能提供更高的效率和更出色的散熱性能，甚至更高的系統(tǒng)額定功率。
碳化硅Cascode JFET： 無縫升級替代硅基方案，卓越性能全面釋放
這些優(yōu)勢也體現(xiàn)在安森美 EliteSiC Cascode JFET 的性能中，這是一種更新且功能更強大的器件，針對多種功率應用進行了優(yōu)化。
與硅基柵極驅動器兼容： 實現(xiàn)向碳化硅的無縫過渡
首先，碳化硅Cascode JFET 的結構允許使用標準硅基柵極驅動器。 這簡化了從硅基到碳化硅設計的過渡，提供了更大的設計靈活性。它們與各種類型的柵極驅動器兼容，包括為 IGBT、硅超結 MOSFET 和 碳化硅MOSFET 設計的驅動器。
圖 3：按電壓分類的功率半導體器件
其他優(yōu)勢
· 在給定封裝中，擁有業(yè)內領先的漏源導通電阻RDS(ON)，可最大程度地提高系統(tǒng)效率。
· 更低的電容允許更快的開關速度，因此可以實現(xiàn)更高的工作頻率；這進一步減小了如電感器和電容器等大體積無源元件的尺寸。
· 與傳統(tǒng)應用于這一細分領域的硅基IGBT相比，碳化硅Cascode JFET在更高電壓等級（1200V或以上）下能夠實現(xiàn)更高的工作頻率，而硅基IGBT通常速度較慢，僅能在較低頻率下使用，因此開關損耗較高。
· 安森美EliteSiC Cascode JFET器件在給定RDS(ON) 的條件下，實現(xiàn)更小的裸片尺寸，并減輕了碳化硅 MOSFET常見的柵極氧化層可靠性問題。
SiC MOSFET vs. 安森美SiC Cascode JFET:深入對比
讓我們花一點時間來更深入地了解SiC MOSFET 與 安森美SiC JFET 技術之間的差異。 從下面的圖 3 中我們可以看到，SiCMOSFET 技術不同于安森美的集成式SiCCascode JFET——這是精心設計的結果。安森美設計的SiCJFET去掉了碳化硅MOSFET 的柵極氧化層，這不僅消除了溝道電阻，還讓裸片尺寸更為緊湊。
安森美碳化硅 JFET 較小的裸片尺寸成為其差異化優(yōu)勢的一個關鍵所在，"RDS(ON) x A"（RdsA）品質因數(shù) (FOM) 得以最佳體現(xiàn)，如圖 4 所示。這意味著對于給定的芯片尺寸，SiCJFET 具有更低的導通電阻額定值，或者換言之，在相同的 RDS(ON) 下，安森美SiC JFET 的裸片尺寸更小。安森美在 RdsA FOM 方面的卓越表現(xiàn)樹立了行業(yè)領先地位，體現(xiàn)在以相對較小的行業(yè)標準封裝（如 TOLL 和 D2PAK）提供的超低額定電阻產(chǎn)品。
圖 4：碳化硅MOSFET 與安森美Cascode JFET 的比較
(從外部看，Cascode 是一種常關 FET）
與SiCMOSFET 相比，EliteSiC Cascode JFET 具有更低的輸出電容 Coss。輸出電容較低的器件在低負載電流下開關速度更快，電容充電延遲時間更短。這意味著，由于減少了對電感器和電容器等大體積無源元件的需求，現(xiàn)在可以制造出更小、更輕、成本更低且功率密度更高的終端設備。
圖 5：安森美碳化硅Cascode JFET 與碳化硅 MOSFET 的競爭產(chǎn)品對比
以下是關于SiCMOSFET的其他挑戰(zhàn)：
· 碳化硅MOS 溝道電阻高，導致電子遷移率較低。
· Vth 在柵極偏置較高的情況下會發(fā)生漂移，這意味著柵極到源極的電壓驅動范圍受到限制。
· 體二極管具有較高的拐點電壓，因此需要同步整流。
然而，使用安森美的SiCJFET，上述缺陷得以根本解決，因為：
· SiCJFET 結構的器件上摒棄 MOS（金屬氧化物）結構，因此器件更加可靠。
· 在相同芯片面積下，漏極至源極電阻更低。
· 電容更低，這意味著更快的開關轉換和更高的頻率。
為什么選擇安森美EliteSiC Cascode JFET？
盡管市場上可供選擇的SiC功率半導體種類繁多，但在某些特定應用中，一些器件的表現(xiàn)確實比其他器件更為出色。安森美的集成式SiC Cascode JFET 便是其中的佼佼者，因其低 RDS(ON)、低輸出電容和高可靠性等獨特優(yōu)勢，能夠提供卓越的性能。此外，碳化硅 Cascode JFET架構使用標準硅基柵極驅動器，簡化了從硅到碳化硅的過渡過程，可在現(xiàn)有設計中實施。 因此，它為從硅到碳化硅的過渡提供了靈活性--實施簡單，同時得益于SiC技術而提供卓越的性能。
圖 6：EliteSiC Cascode JFET
這些優(yōu)點幫助安森美的SiCCascode JFET 技術在其他技術無法企及的領域大放異彩。 碳化硅JFET 的增強性能使其在用于人工智能數(shù)據(jù)中心、儲能和直流快充等 AC-DC 電源單元中實現(xiàn)更高的效率。隨著對更高功率密度和更緊湊外形需求的增加，安森美SiCCascode JFET 能夠實現(xiàn)更小、更輕和更低成本的終端設備。由于減少了對電感器和電容器等大體積無源元件的需求，有助于實現(xiàn)更高的功率密度。
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