碳化硅（SiC）结型场效应晶体管（JFET）共源共栅（Cascode）是一种混合器件，其具有宽禁带半导体的开关特性，同时也具有Si MOSFET的灵活性和耐用性，可直接替代传统系统中的功率器件及设计下一代功率变换器与逆变器。
宽禁带器件的局限性
在这里没有必要再去描述碳化硅（SiC）及氮化镓（GaN）等宽禁带（WBG：Wide Band Gap）器件的特性。宽禁带器件给人留下具有极高的功率密度和匹配效率的印象，在实际系统中，设计人员通常选择常闭型开关器件，通常是SiC MOSFET和增强型GaN（e-GaN）HEMT，但这些器件并不是完美地，都有着自己的局限性与缺陷。这两种器件类型都需要特定的栅极驱动电压，此外SiC MOSFET体二极管的性能相对较差，而GaN器件结构中没有传统的体二极管且不具备雪崩特性。而在斩波应用、半桥电路和图腾柱PFC等诸多实际应用中，往往需要体二极管或其等效器件。为了获得高效率，SiC MOSFET和GaN HEMT需要并联高性能二极管，从而增加了总体成本和系统复杂性。
SiC Cascode :旧思路的现代演绎
为了充分发挥WBG器件的优势，制造商们重新考虑了20世纪30年代将真空电子管串联以形成混合器件且性能优于其中任何一个器件的想法，这项被命名为Cascode（共源共栅）的技术在近年以BJT和MOSFET混合的形式重新出现。
Cascode以WBG器件来实现是采用将Si MOSFET和常开型SiC JFET串联连接的方式，如图1所示。当MOSFET栅极为高电平时，MOSFET导通使JFET栅极-源极短路，从而强制其导通。当MOSFET栅极为低电平时，其漏极电压上升直至使JFET栅极-源极电压达到-7 V左右，将JFET关断且MOSFET漏极压降约为7~10 V。这种混合电路通常处于关断状态，因此栅极驱动电压关键性有所削弱，MOSFET的体二极管能够快速恢复，反向恢复电荷非常低且压降减小。这些特性均源于MOSFET是低压类型器件，并针对应用进行了相关优化且通常与SiC芯片共同封装。
图1 Si MOSFET与SiC JFET在 Cascode中的布局
Cascode可以作为SiC MOSFET、GaN HEMT等器件的直接替代品，并可以很容易地应用于正在使用Si MOSFET和IGBT的传统设计中。将代表性的650V SiC Cascode与其他WBG器件及超级结Si MOSFET的相关参数进行了对比，具体结果如图2所示。
图2 SiC Cascode与 其他WBG 器件及超级结Si MOSFET的对比
MOSFET
出众的品质因数RDSA意味着在其他条件相同的情况下可以使芯片尺寸更小。反过来讲，这也降低米勒输入和输出电容COSS，有效降低开关损耗EOSS，因而具有优异的总体损耗品质因数RDS*EOSS。由于Cascode具有自然钳位效应，其能在雪崩条件下表现良好，而GaN则不具备雪崩性能。具有高饱和电流的Coscode可以很好地通过关断通道来处理4 ?s或更长时间的瞬间短路，导通电阻呈正温度系数分布对此也有所帮助。与其他器件不同，Coscode的饱和电流不依赖于栅极驱动电压，并且在VGS=8 V左右全面增强后保持接近恒定。
虽然芯片尺寸很小，由于SiC的导热率是GaN或Si的3倍，因而其导热仍然是高效且具有较高的TJ(MAX)，呈现出WBG器件的典型特征。
Cascode +/-25 V的宽栅极驱动电压范围意味着其在Si或SiC MOSFET设计的系统是兼容的，在这一点上可以采用Cascode进行直接替代。即使是IGBT典型的+15/-9 V栅极驱动电压范围也可以快速驱动Cascode，从而可以考虑用Cascode方案替代传统开关技术以获得更好的性能或者淘汰过时的传统器件。一项针对电池充电器制造商的案例研究表明，采用Cascode替换IGBT后，在10kW级设备上实现了1.5％的效率提升和30％的输出功率提升 [1]。Cascode的栅极电荷明显小于IGBT的，如果栅极电压范围调更低，则其栅极驱动功率要求也会大幅降低。
Cascode通常采用常见的TO-247封装，因此可以很容易地插入IGBT或Si/SiC MOSFET插座中，其栅极驱动电路的微小变化能够优化解决方案。图3给出了具有独立R(ON) 和 R(OFF)的典型电路，这种拓扑能有效控制dv/dt和di/dt电平，同时可根据布局考虑是否需要铁氧体磁珠来抑制振荡。由于米勒电容实际上不存在，因此不需要负的栅极驱动电压来防止漏极dv/dt产生的电流注入栅极而导致误导通。无论如何，栅极周围的布局应遵循相关设计规则，与任何其它开关器件一样，应该最小化源极连接中的寄生电感，尽量避免沟道中di/dt结合这部分寄生电感产生浪涌电压耦合到栅极中。
图3 SiC Cascode典型栅极驱动电路
从比较表格可得出，SiC Cascode的体二极管恢复电荷表现尚可，与其低正向压降Vf的特点相结合后，二极管导通时的电路损耗可实现最小化。图4给出了SiC Cascode和SiC MOSFET（带或不带外部二极管）在150 ℃及800 V感性负载下的测试波形对比。使用双脉冲测试方法测试， SiC Cascode关断时可以清楚地看出其具有更短的恢复时间和更低的损耗。
图4 SiC Cascode体二极管反向恢复特性
由于GaN HEMT结构中没有体二极管，这部分实际上没有进行直接比较，但是当GaN HEMT漏极-栅极电压变为负时，其沟道电导率将增加，从而反向导通。没有反向恢复充电，但压降相对较高，因此通常在GaN HEMT需要反向导通时并联二极管，以增加其自身的恢复特性。
主要应用
除了在传统系统中替代IGBT和Si MOSFET之外，具有近乎理想的规格组合和小芯片尺寸的Cascode是电机驱动、逆变器、PV、焊机、D类音频放大器以及EV/HEV等关键应用领域新设计的优秀解决方案。采用全新的设计方法，可以利用Cascode的高频能力来取得降低磁性和无源元件尺寸所带来的收益。
如图5所示，Cascode在无桥图腾柱PFC应用中的主要优势很明显。这种电路中如果使用Si MOSFET将受到其体二极管缓慢反向恢复性能的限制，并联SiC二极管虽然有助于减少元件数量，但必须使用临界导通模式，即在每个导通周期结束时将开关电流限制为零。这种变频模式会产生高峰值电流，造成较大电流应力，因而往往需要选择裕量大的元件。使用SiC JFET Cascode后，可以使用连续导通模式，能有效降低电流峰值、提高效率、减小电感器尺寸，并在固定工作频率下优化滤波和EMI问题。在1.5 kW/230 VAC系统上使用USCi 的UJC06505K的应用案例展现出令人惊讶的99.4％的高效率[2]。
实现转换器初级开关的高效率必须在直流输出端采取类似的改进以互相匹配。SiC Cascode同样适用于此，其可以配置为同步整流结构，如图6所示。Q1构建飞轮整流器，而Q2构建正向整流器。在第3象限运行中，即在正向或降压转换器的正向整流和飞轮整流周期中，电流从源极流向自身或者另一个Cascode的漏极，并通过输出电感器流到负载。该电流流过体二极管时JFET栅极-源极电压为+ 0.7 V左右，从而使其自然硬导通。如果Cascode栅极设置为高电平，则其内部Si MOSFET沟道导通，这部分总导通电阻即为Cascode的RDS(on)，因而整体导通损耗非常低。
图6 SiC Cascode用于同步整流应用
总结
本文对宽禁带器件SiC cascode进行了简单介绍，其能够为诸多现有系统的IGBT及Si MOSFET器件提供直接替代解决方案，而无需更改栅极驱动电路。
作者：Christopher Rocneanu
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