【導(dǎo)讀】安森美具有卓越 RDS（on）*A 性能的 SiC JFET，特別適用于需要大電流處理能力和較低開關(guān)速度的應(yīng)用，如固態(tài)斷路器和大電流開關(guān)系統(tǒng)。得益于碳化硅（SiC）優(yōu)異的材料特性和 JFET 的高效結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻和更佳的熱性能，非常適合需要多個(gè)器件并聯(lián)以高效管理大電流負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)景。
安森美具有卓越 RDS（on）*A 性能的 SiC JFET，特別適用于需要大電流處理能力和較低開關(guān)速度的應(yīng)用，如固態(tài)斷路器和大電流開關(guān)系統(tǒng)。得益于碳化硅（SiC）優(yōu)異的材料特性和 JFET 的高效結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻和更佳的熱性能，非常適合需要多個(gè)器件并聯(lián)以高效管理大電流負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)景。
SiC Combo JFET 技術(shù)概覽
對(duì)于需要常關(guān)器件的應(yīng)用，可以將低壓硅（Si） MOSFET與常開碳化硅（SiC） JFET串聯(lián)使用，以創(chuàng)建共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)。在這種設(shè)置中，SiC JFET負(fù)責(zé)處理高電壓，而Si MOSFET提供常關(guān)功能。這種組合充分利用了SiC JFET的高性能以及Si MOSFET易于控制的優(yōu)點(diǎn)。
安森美 Combo JFET 將一個(gè) SiC JFET 和一個(gè)低壓Si MOSFET 集成到一個(gè)封裝中，在滿足小尺寸需求的同時(shí)，還具有高性能的常關(guān)特性。 此外，通過各種柵極驅(qū)動(dòng)配置，該 Combo JFET 還提供了諸如與具有 5V 閾值的硅器件的柵極驅(qū)動(dòng)兼容性、更高可靠性和簡(jiǎn)化速度控制等優(yōu)勢(shì)。
產(chǎn)品介紹
Combo JFET 將一個(gè) SiC JFET 和一個(gè)低壓Si MOSFET 集成到一個(gè)封裝中，SiC JFET 和低壓 MOSFET 的柵極均可使用。
圖 1 Combo JFET 結(jié)構(gòu)
由于 JFET 和低壓 MOSFET 柵極均可使用，Combo JFET 具有多種優(yōu)勢(shì)。 這些優(yōu)勢(shì)包括過驅(qū)動(dòng)（overdrive）時(shí) RDS（on）降低，通過外部cascode 簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)電路，通過 JFET 柵極電阻調(diào)節(jié)開關(guān)速度，以及通過測(cè)量柵極-源極壓降來監(jiān)測(cè) JFET 結(jié)溫。
安森美 SiC Combo JFET 產(chǎn)品系列
表 1 和圖 2 顯示了 Combo JFET產(chǎn)品和可用封裝。
表 1 Combo JFET產(chǎn)品清單
圖 2 Combo JFET封裝和原理圖
安森美 SiC Combo JFET器件的特性和優(yōu)勢(shì)
表 2 總結(jié)了 安森美 SiC Combo JFET器件的特性和優(yōu)勢(shì)
表 2 安森美 SiC Combo JFET的特性和優(yōu)勢(shì)
本節(jié)評(píng)估的靜態(tài)特性包括 RDS（on）、峰值電流 (IDM)、RθJC（從結(jié)點(diǎn)到外殼的熱阻）。 對(duì)于電路保護(hù)和多路并聯(lián)應(yīng)用，dv/dt 可控性至關(guān)重要。 以 750V 5mOhm TOLL 封裝 (UG4SC075005L8S) 器件為例，評(píng)估其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。
靜態(tài)特性
如表 3 所示，安森美先進(jìn)的 SiC JFET 技術(shù)在市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)了卓越的電氣性能和熱性能。
表3 安森美 Combo JFET主要參數(shù)
安森美 Combo JFET具有低RDS(on)、高 IDM和低熱阻特性。
低 RDS(on)：安森美 Combo JFET器件采用 SiC JFET 技術(shù)，單位面積 RDS(on)顯著降低（Rds?A）。 該器件采用靈活、可從外部配置的cascode結(jié)構(gòu)（SiC Combo-FET）來實(shí)現(xiàn)常關(guān)操作。在 安森美 SiC Combo JFET結(jié)構(gòu)中，低電壓 Si MOSFET 對(duì)總 RDS(on)的貢獻(xiàn)不到 10%。圖 1 顯示了 TOLL 封裝中 RDS(on)的對(duì)比。
圖3 TOLL封裝的RDS(on) 的對(duì)比
更高的 IDM：峰值電流對(duì)于電路保護(hù)應(yīng)用至關(guān)重要，而高 IDMSiC Combo JFET正是實(shí)現(xiàn)這一目的的理想選擇。電路保護(hù)應(yīng)用因其特定的工作條件而要求穩(wěn)健性和大電流穿越能力。
圖4 采用 Combo JFET封裝的 JFET 的 IDM
低RθJC：安森美的SiC Combo JFET采用銀燒結(jié)裸片貼裝技術(shù)，與大多數(shù)焊接材料相比，界面導(dǎo)熱性能提高了六倍，從而在更小的裸片尺寸下實(shí)現(xiàn)相同甚至更低的結(jié)至外殼熱阻（RθJC）。低RθJC有助于保持較低的結(jié)溫，并確保更高的可靠性。
動(dòng)態(tài)特性
通過調(diào)整 Combo JFET配置中的 JFET 柵極電阻，可實(shí)現(xiàn)出色的速度可控性，從而帶來以下優(yōu)勢(shì)：
?通過降低關(guān)斷速度來減少電壓過沖，可加強(qiáng)電路保護(hù)，尤其是短路保護(hù)。
?易于并聯(lián)，在開關(guān)損耗和動(dòng)態(tài)電流平衡之間實(shí)現(xiàn)了出色的權(quán)衡。
功率循環(huán)
功率器件的可靠性及壽命評(píng)估對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性和延長使用壽命至關(guān)重要，尤其是對(duì)于新興的寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體（如SiC、GaN等）而言。功率器件的主要失效模式與熱機(jī)械疲勞（TMF）有關(guān)。功率熱循環(huán)測(cè)試是一種加速測(cè)試方法，被測(cè)器件（DUT）頻繁地開關(guān)，使其結(jié)溫以一種受控的方式循環(huán)變化。這種方法通過施加熱機(jī)械應(yīng)力來評(píng)估封裝（接線、裸片貼裝等）的可靠性。同時(shí)，它也對(duì)半導(dǎo)體裸片和封裝元器件（接線、引線等）施加電應(yīng)力，相比被動(dòng)溫度循環(huán)測(cè)試，能更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際應(yīng)用中遇到的溫度梯度變化。
在堆疊結(jié)構(gòu)中，Si MOSFET位于SiC JFET之上，電源線連接到Si MOSFET的源極金屬化層。由于硅的硬度低于碳化硅，在功率循環(huán)過程中產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力顯著減少，從而使功率循環(huán)壽命延長至原來的2倍。此外，無論是從Si MOSFET到SiC JFET，還是從SiC JFET到散熱焊盤，都采用了銀燒結(jié)裸片貼裝（silver sinter die-attach）技術(shù)，相比現(xiàn)今廣泛使用的焊接裸片貼裝（solder die-attach，常見于SiC分立器件），進(jìn)一步增強(qiáng)了可靠性。
柵極控制方法
用于固態(tài)斷路器的 Combo JFET有兩種主要控制方法：準(zhǔn)cascode驅(qū)動(dòng)模式和直接驅(qū)動(dòng)模式。
圖5 Combo JFET驅(qū)動(dòng)模式：準(zhǔn)cascode驅(qū)動(dòng)模式（左）和直接驅(qū)動(dòng)模式（右）
對(duì)于大功率開關(guān)模式應(yīng)用，除了圖 3 所示的上述兩種控制方法外，我們還開發(fā)并推薦使用 ClampDRIVE。 或者采用最簡(jiǎn)單的柵極控制方法，用單個(gè) JFET 柵極電阻來調(diào)整其開關(guān)速度，詳見圖 4。
圖6 開關(guān)模式應(yīng)用中 Combo JFET的控制方法（左：恒定 JFET 柵極電阻，右：ClampDRIVE）
結(jié)語
安森美SiC Combo JFET具有極低 RDS(on)和可控開關(guān)速度，可為斷路器和大功率低開關(guān)速度應(yīng)用實(shí)現(xiàn)卓越的效率和功率密度。它還具有與硅器件相當(dāng)?shù)墓β恃h(huán)性能（可靠性和使用壽命），比 SiC MOSFET 高出 2 倍以上。
（作者：安森美）
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