简介

通常在电路设计中使用功率开关时，可以在不增加开关损耗的情况下，降低电流导通时的损耗，这是一个很大的优点。在各种电路保护应用中，器件需要持续传输电流，低传导损耗有利于保持系统的高效率，并使产生的废热最小化。如果这些电源开关需要在这些应用中安全使用，则必须满足各种类型的耐用性标准。

本文将讨论最先进的低阻抗功率半导体开关，并介绍其关键特性和应用优势。这些都是UnitedSiC开发的，采用层叠共源共栅技术，在阻抗小于10 mω的650 ~ 1200 V常开碳化硅(SiC) JFET上层叠一个专门设计的阻抗小于1 mω的硅低压MOSFET。形成的复合器件称为SiC FET，可以像标准硅器件一样驱动，但与硅IGBT、硅MOSFET、SiC MOSFET相比有很多优势。

什么是层叠共源共栅？

与其他可用的功率晶体管(包括SiC MOSFET、硅MOSFET和GaN HEMT)相比，常开SiC JFET的单位芯片面积导通电阻更低。如图1a所示，当低压MOSFET堆叠在JFET上时，为了实现图1b的共源共栅结构，形成低阻抗常关开关，称为堆叠共源共栅。它的阻抗是低压MOSFET和SiC JFET的阻抗之和，其阻抗可能比JFET高5 ~ 20%，具体取决于选用哪种MOSFET和JFET。

图2显示了8.6mΩ、1200V堆叠芯片UF3SC12009Z的尺寸。因为低压MOSFET在组装之前预先堆叠在JFET上，所以复合器件与标准组装管芯连接和引线键合设备兼容。此外，重要的是，该器件适用于电源模块，并且还可以提供TO247-4L封装(器件名称UF3SC12009K4S)。

图1: (a)使用高压常开SiC JFET源极焊盘上方的低压硅MOSFET叠层形成共源共栅。(b)共源共栅SiC FET的最终电路配置。

表1列出了UnitedSiC最近推出的低RDS(ON)系列SiC FET的具体参数。请注意，在TO247封装中，阻抗最低的两个器件的额定电流受到键合线和引线的限制。

开态和热特性

虽然产品数据手册可以提供关于器件特性的详细信息，但还是有必要在这里了解一些关键功能。该器件的栅极有一个保护性ESD二极管，在26V时击穿。

硅MOSFET的额定电压为20V，Vth为5V，没有传统SiC MOSFET常见的迟滞或不稳定现象。它可以由与现有SiC MOSFET、Si MOSFET或IGBT兼容的栅极电压驱动。负栅极偏置的使用没有限制。虽然给出了5V的Vth，但是大部分应用仍然可以通过简单的0 ~ 12 V栅极驱动来完成。

SiC FET RDS(ON)具有正温度系数，如表1和图3a所示。考虑到许多应用需要并行使用sic FET器件，这一特性非常有用。

图3a示出了650V UF3SC065007K4S的RDS(ON)的增加远低于硅超结MOSFET。很明显，125 ~ 150℃的传导损耗甚至比目前最好的超结硅MOSFET低2.5 ~ 4倍。将1200V器件与SiCMOSFET相比，RDS(ON)随温度在125-150℃增加速率是相似的，RDS(ON)(25℃)。从图3(右图)也可以清楚的看到，UF3SC120009K4S在TO-247中所有温度下的RDS(ON)FET都是最低的，有很大的优势。

SiC FET在导通时的第三象限特性优于SiC MOSFET，因为JFET RDS(ON)串联时，其压降相当于0.7V硅结压降。的典型第三象限特性如下图3b所示。

图3b:uf3sc 120009 k4s第三象限(续流模式)通态特性(左)和QRR(右)与温度的关系。请注意，100A时VGS = 0，-5V时的低导通压降为1.65V，1200-1300nC的低QRR值几乎与温度无关。

低VF还伴随着优秀的低QRR值(例如UF3SC120009K4S为1200-1300nC，UF3SC065007K4S为850nC)。

低RDS(ON)系列器件全部采用烧结银技术，提供最佳热性能，如表1所示(最大RTHJC列)。此外，这有助于使MOSFET和SiC JFET都变薄，并且SiC的热导率(3.7W/cm-K)与铜的热导率(3.85W/cm-K)相当。这些器件的TJMAX额定值为175℃，但由于MOSFET VTH保持在3V以上，其泄漏非常低(如图2的特性所示)，因此它们可以在TJ> 200℃时正常工作，不会出现热失控。

开关特性

表1显示了SiC FET数据手册中的低开关损耗。EON和EOFF几乎与温度无关，都很低。EON通常大于EOFF，这是大多数宽带隙(WBG)器件的情况。因此，这些器件在硬开关和软开关电路中都非常有用，特别是对于电动汽车逆变器。

从图4a中的半桥开关波形可以看出，SiC FET的体二极管的恢复特性非常好。

图4a:United SiC双脉冲演示板上半桥开关的波形。RGON = RGOFF = 5Ω，每个器件都有一个680pF、5ωRC缓冲器。

这里，使用一个小RC缓冲器来降低关断电压的过冲，这在驱动100A电流通过单个TO247-4L器件时是必要的。低压MOSFET的贡献约为100nC，主要来自其COSS，观察到的剩余QRR来自SiC JFET的输出电容QOSS。由于LV MOSFET存储的电荷非常少，测得的QRR随温度变化很小(图3b)，观察到的大部分QRR与器件电容充电有关。在650V时，UF3SC065007K4S的值为850nC，这是优于任何超结MOSFET的关键优势。超结MOSFET的QRR高10 ~ 50倍，硬恢复下有dV/dt限制。

由于20 ~ 50 V/ns的正常开关dV/dt对于某些逆变器应用来说可能太快，图4b显示了几种技术之一(90%/10% dV/dt _ on =5.7V/ns，dV/dt_ off =4.1V/ns)，用于实现开关期间的低dV/dt。仅使用RG值来实现这些低dV/dt会导致延迟时间过长。因此，除RG外，还可以使用一个外部CGD电容来实现目标dV/dt。

图4b:实现适用于电机驱动应用的低dV/dt波形的方法。开关条件为75A/800V，33ωRG和68pF外部CGD电容。在UnitedSiC双脉冲演示板上测量半桥开关波形。

雪崩和短路特性

图5显示了UF3SC120009K4S在两种条件下的典型雪崩特性。在低电流和高电感的条件下，这些器件可以处理大于5.5J的电流，额定值为550mJ。有趣的是，UF3SC120009K4S在短电感峰值下的峰值雪崩电流处理能力超过200A，这是由于SiC FET独特的工作模式，JFET从自偏置状态进入工作模式，可以安全吸收雪崩电流。

图6显示了典型的短路测试波形。峰值短路电流为1200A，由于JFET决定了峰值短路电流，由于JFET的自热，电流会迅速下降。SiC FET在反复短路时不会降低其性能，这是由于SiC JFET固有的鲁棒性。在这种短路事件中，低压MOSFET上的电热应力可以忽略不计。

碳化硅场效应晶体管的并联工作特性

图7显示了并联SiC FET的典型特性。由于RDS(ON)的正温度系数，通态电流会达到一定的平衡。开关电流平衡的主要原因是开关特性实际上是由SiC JFET而不是低压MOSFET控制的。由于SiC JFET的VTH不会随着温度的升高而降低，所以不会因为VTH的不平衡而导致开关导通得更快，关断得更慢。这也有助于使体二极管在大部分工作电流下具有正的温度系数，但对QRR的温度依赖性很小或没有。需要注意的是，与所有开尔文源器件一样，在每个栅极回路中增加一个阻抗也很重要。

图7:VGS =+15/-5V时，两个UF3SC120009K4S器件并联开关，电流为60A(共120A)。每个栅极使用15ωRG，栅极处的返回路径为1ω。在高速切换条件下实现了出色的共享。

示例:电动汽车逆变器中的低RDS(ON)SiC FET

鉴于低RDS(ON)SiC FET的这些理想特性，电动汽车逆变器非常适合这些低RDS(ON)开关的应用。虽然电源模块通常是电动汽车逆变器模块的首选，但这些器件有助于以相对较低的成本实现电动汽车逆变器的构建。表2显示了使用UF3SC120009K4S的电动汽车逆变器的估计损耗与基于最先进的IGBT模块的解决方案之间的比较。每个开关由6个并联单元组成的解决方案，在200KW输出时可以降低3倍的工作损耗，对增加车辆续航里程、扩大电池容量、减轻逆变器散热负担非常有利。此外，这些开关可用于提高开关频率，有助于降低逆变器的电流纹波，并提高电机的效率和寿命，使这些开关成为高速电机逆变器的绝佳选择。

应用案例:电动汽车快速充电器

350KW电动车的快速充电器，必须给400V电池提供875A的电流，或者必须给800V电池提供一半的电流。典型的充电器电路可能需要在高频变压器的次级线圈上使用SiC二极管来对输送给电池的电压进行整流。使用SiC FET作为同步整流器，损耗可以降低至少2倍。图8示出了UF3SC065007K4S和100A SiC JBS二极管之间的传导特性的比较。如果大功率模块中的每个器件都使用100A的电流(比如50%的空)，二极管在125℃时会下降2V，损耗为100W，而SiC FET在125℃时电压只会下降0.9V，导致每个FET只有45W的损耗，相当于提高了2倍。

鉴于这些器件具有出色的传导和开关损耗，并且可以在标准有源前端(PFC级)和DC-DC(相移全桥/LLC)初级提供峰值效率，用户可以减少并联开关的数量，简化组装，甚至可以将单个充电器的功率从15KW提高到30-50KW。UF3SC065007K4S可以允许用户借助分立器件将Vienna rectifier推向新的功率水平，或者1200V器件可以提供同样高效的简化两级架构路径。

应用案例:光伏逆变器、焊接和UPS电路

这些器件具有传导损耗和开关损耗的完美结合，可以非常有效地用于高性能两级器件。

、NPC和TNPC电路，以最大限度地提高逆变器效率，并突破分立器件所能处理的功率水平极限。SiC FET的栅极驱动器的简单性是控制成本的另一个重要因素。

图9比较了总线电压为800V、频率为12.5kHz、25kHz和50kHz的60KVA逆变器中由半导体功率损耗引起的效率估计。两级解决方案为每个开关位置使用一个UF3SC120009K4S，因此只需要六个晶体管和栅极驱动器。TNPC每相使用两个UF3SC120009K4S和两个uf3sc 065007k 4，而NPC每相使用四个uf3sc 065007k 4。TNPC和NPC选项使用12个晶体管和12个栅极驱动器，即使在50千赫时也能提供高于99%的效率。与基于模块的方法相比，可以节省大量的成本。

图9:具有800V DC链路的60KVA太阳能逆变器在两级、NPC和TNPC拓扑的三个工作频率下的损耗评估，其中效率仅考虑功率半导体的损耗。这种水平的功率以前通常由功率模块实现，但现在可以由UnitedSiC分立器件实现。

应用案例:固态断路器

UnitedSiC展示了一款2m ω、1200V的SOT227开关，由6个并联的UF3SC120009芯片组成，主要用于大电流固态功率控制器和断路器。然而，在较低电流下，这些低RDS(ON)fet可以单独或并行实现这些功能。

虽然简单的负载开关只需要低导通电阻和良好的热性能，但在某些应用中可能需要更多。例如，该器件用于在线性模式下形成电子负载。在这种模式下，特别是在600 ~ 1200伏的高电压下，JFET可以应付大部分的功率损耗。由于它的VTH不会随着温度的升高而降低，所以它不会在模具中形成热点，所以它可以在这些条件下稳定工作。

图10显示了使用具有高Rgoff阻抗的UF3SC120009K4S来稳定非常慢的关断转换。在固态功率控制器中，当切换到高电感线路时，需要缓慢的开关切换来最小化电压尖峰。

结论

设计人员会发现，这些器件采用我们熟悉的TO247-4L封装，具有出色的开关损耗和极低的RDS(ON ),在构建更高功率的逆变器、充电器和固态断路器时，可以提供非常高的价值。这些器件的高VTH值及其与硅和SiC栅极驱动电压的兼容性可以进一步简化设计。同时，由于其固有的鲁棒性和并行操作，设计人员可以使用这些器件来取代电源模块。