碳化硅（SiC）結型場效應晶體管（JFET）共源共柵（Cascode）是一種混合器件，其具有寬禁帶半導體的開關特性，同時也具有Si MOSFET的靈活性和耐用性，可直接替代傳統系統中的功率器件及設計下一代功率變換器與逆變器。
寬禁帶器件的侷限性
在這裡沒有必要再去描述碳化硅（SiC）及氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG：Wide Band Gap）器件的特性。寬禁帶器件給人留下具有極高的功率密度和匹配效率的印象，在實際系統中，設計人員通常選擇常閉型開關器件，通常是SiC MOSFET和增強型GaN（e-GaN）HEMT，但這些器件並不是完美地，都有著自己的侷限性與缺陷。這兩種器件類型都需要特定的柵極驅動電壓，此外SiC MOSFET體二極管的性能相對較差，而GaN器件結構中沒有傳統的體二極管且不具備雪崩特性。而在斬波應用、半橋電路和圖騰柱PFC等諸多實際應用中，往往需要體二極管或其等效器件。為了獲得高效率，SiC MOSFET和GaN HEMT需要並聯高性能二極管，從而增加了總體成本和系統複雜性。
SiC Cascode :舊思路的現代演繹
為了充分發揮WBG器件的優勢，製造商們重新考慮了20世紀30年代將真空電子管串聯以形成混合器件且性能優於其中任何一個器件的想法，這項被命名為Cascode（共源共柵）的技術在近年以BJT和MOSFET混合的形式重新出現。
Cascode以WBG器件來實現是採用將Si MOSFET和常開型SiC JFET串聯連接的方式，如圖1所示。當MOSFET柵極為高電平時，MOSFET導通使JFET柵極-源極短路，從而強制其導通。當MOSFET柵極為低電平時，其漏極電壓上升直至使JFET柵極-源極電壓達到-7 V左右，將JFET關斷且MOSFET漏極壓降約為7~10 V。這種混合電路通常處於關斷狀態，因此柵極驅動電壓關鍵性有所削弱，MOSFET的體二極管能夠快速恢復，反向恢復電荷非常低且壓降減小。這些特性均源於MOSFET是低壓類型器件，並針對應用進行了相關優化且通常與SiC芯片共同封裝。
圖1 Si MOSFET與SiC JFET在 Cascode中的佈局
Cascode可以作為SiC MOSFET、GaN HEMT等器件的直接替代品，並可以很容易地應用於正在使用Si MOSFET和IGBT的傳統設計中。將代表性的650V SiC Cascode與其他WBG器件及超級結Si MOSFET的相關參數進行了對比，具體結果如圖2所示。
圖2 SiC Cascode與 其他WBG 器件及超級結Si MOSFET的對比
MOSFET
出眾的品質因數RDSA意味著在其他條件相同的情況下可以使芯片尺寸更小。反過來講，這也降低米勒輸入和輸出電容COSS，有效降低開關損耗EOSS，因而具有優異的總體損耗品質因數RDS*EOSS。由於Cascode具有自然鉗位效應，其能在雪崩條件下表現良好，而GaN則不具備雪崩性能。具有高飽和電流的Coscode可以很好地通過關斷通道來處理4 ?s或更長時間的瞬間短路，導通電阻呈正溫度係數分佈對此也有所幫助。與其他器件不同，Coscode的飽和電流不依賴於柵極驅動電壓，並且在VGS=8 V左右全面增強後保持接近恆定。
雖然芯片尺寸很小，由於SiC的導熱率是GaN或Si的3倍，因而其導熱仍然是高效且具有較高的TJ(MAX)，呈現出WBG器件的典型特徵。
Cascode +/-25 V的寬柵極驅動電壓範圍意味著其在Si或SiC MOSFET設計的系統是兼容的，在這一點上可以採用Cascode進行直接替代。即使是IGBT典型的+15/-9 V柵極驅動電壓範圍也可以快速驅動Cascode，從而可以考慮用Cascode方案替代傳統開關技術以獲得更好的性能或者淘汰過時的傳統器件。一項針對電池充電器製造商的案例研究表明，採用Cascode替換IGBT後，在10kW級設備上實現了1.5％的效率提升和30％的輸出功率提升 [1]。Cascode的柵極電荷明顯小於IGBT的，如果柵極電壓範圍調更低，則其柵極驅動功率要求也會大幅降低。
Cascode通常採用常見的TO-247封裝，因此可以很容易地插入IGBT或Si/SiC MOSFET插座中，其柵極驅動電路的微小變化能夠優化解決方案。圖3給出了具有獨立R(ON) 和 R(OFF)的典型電路，這種拓撲能有效控制dv/dt和di/dt電平，同時可根據佈局考慮是否需要鐵氧體磁珠來抑制振盪。由於米勒電容實際上不存在，因此不需要負的柵極驅動電壓來防止漏極dv/dt產生的電流注入柵極而導致誤導通。無論如何，柵極周圍的佈局應遵循相關設計規則，與任何其它開關器件一樣，應該最小化源極連接中的寄生電感，儘量避免溝道中di/dt結合這部分寄生電感產生浪湧電壓耦合到柵極中。
圖3 SiC Cascode典型柵極驅動電路
從比較表格可得出，SiC Cascode的體二極管恢復電荷表現尚可，與其低正向壓降Vf的特點相結合後，二極管導通時的電路損耗可實現最小化。圖4給出了SiC Cascode和SiC MOSFET（帶或不帶外部二極管）在150 ℃及800 V感性負載下的測試波形對比。使用雙脈衝測試方法測試， SiC Cascode關斷時可以清楚地看出其具有更短的恢復時間和更低的損耗。
圖4 SiC Cascode體二極管反向恢復特性
由於GaN HEMT結構中沒有體二極管，這部分實際上沒有進行直接比較，但是當GaN HEMT漏極-柵極電壓變為負時，其溝道電導率將增加，從而反向導通。沒有反向恢復充電，但壓降相對較高，因此通常在GaN HEMT需要反向導通時並聯二極管，以增加其自身的恢復特性。
主要應用
除了在傳統系統中替代IGBT和Si MOSFET之外，具有近乎理想的規格組合和小芯片尺寸的Cascode是電機驅動、逆變器、PV、焊機、D類音頻放大器以及EV/HEV等關鍵應用領域新設計的優秀解決方案。採用全新的設計方法，可以利用Cascode的高頻能力來取得降低磁性和無源元件尺寸所帶來的收益。
如圖5所示，Cascode在無橋圖騰柱PFC應用中的主要優勢很明顯。這種電路中如果使用Si MOSFET將受到其體二極管緩慢反向恢復性能的限制，並聯SiC二極管雖然有助於減少元件數量，但必須使用臨界導通模式，即在每個導通週期結束時將開關電流限制為零。這種變頻模式會產生高峰值電流，造成較大電流應力，因而往往需要選擇裕量大的元件。使用SiC JFET Cascode後，可以使用連續導通模式，能有效降低電流峰值、提高效率、減小電感器尺寸，並在固定工作頻率下優化濾波和EMI問題。在1.5 kW/230 VAC系統上使用USCi 的UJC06505K的應用案例展現出令人驚訝的99.4％的高效率[2]。
實現轉換器初級開關的高效率必須在直流輸出端採取類似的改進以互相匹配。SiC Cascode同樣適用於此，其可以配置為同步整流結構，如圖6所示。Q1構建飛輪整流器，而Q2構建正向整流器。在第3象限運行中，即在正向或降壓轉換器的正向整流和飛輪整流週期中，電流從源極流向自身或者另一個Cascode的漏極，並通過輸出電感器流到負載。該電流流過體二極管時JFET柵極-源極電壓為+ 0.7 V左右，從而使其自然硬導通。如果Cascode柵極設置為高電平，則其內部Si MOSFET溝道導通，這部分總導通電阻即為Cascode的RDS(on)，因而整體導通損耗非常低。
圖6 SiC Cascode用於同步整流應用
總結
本文對寬禁帶器件SiC cascode進行了簡單介紹，其能夠為諸多現有系統的IGBT及Si MOSFET器件提供直接替代解決方案，而無需更改柵極驅動電路。
作者：Christopher Rocneanu
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