碳化硅Cascode JFET 为何能成为破局者

本文作者：Brandon Becker，安森美（onsemi）电源解决方案事业部 (PSG) 营销经理

电力电子器件高度依赖于硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）等半导体材料。虽然硅一直是传统的选择，但碳化硅器件凭借其优异的性能与可靠性而越来越受欢迎。相较于硅，碳化硅具备多项技术优势（图1），这使其在电动汽车、数据中心，以及直流快充、储能系统和光伏逆变器等能源基础设施领域崭露头角，成为众多应用中的新兴首选技术。

图1：硅器件（Si）与碳化硅（SiC）器件的比较

什么是碳化硅Cascode JFET技术？

众多终端产品制造商已选择碳化硅技术替代传统硅技术，基于双极结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等器件开发电源系统。这些器件因各自特性（优缺点不同）而被应用于不同场景。

然而，安森美的EliteSiC 共源共栅结型场效应晶体管（Cascode JFET）器件（图2）将这一技术推向了新高度。该器件基于独特的"共源共栅（Cascode）"电路配置——将常开型碳化硅JFET器件与硅MOSFET共同封装，形成一个集成化的常闭型碳化硅FET器件。我们的碳化硅Cascode JFET能够轻松、灵活地替代IGBT、超结MOSFET以及碳化硅MOSFET等任何器件类型（图3）。

在本文中，我们将深入探讨安森美EliteSiC Cascode JFET相较于同类碳化硅MOSFET的技术优势。

图 2：安森美碳化硅 Cascode JFET 器件框图

碳化硅相较于硅的技术优势

与硅器件相比，碳化硅Cascode JFET具备多项优势。碳化硅作为宽禁带材料，具有更高的击穿电压特性，这意味着其器件可采用更薄的结构支持更高的电压。此外，碳化硅相较于硅的其他优势还包括：

对于给定的电压与电阻等级，碳化硅可实现更高的工作频率，从而缩小元器件尺寸，显著降低系统整体尺寸与成本。

在较高电压等级（1200V 或更高）应用中，碳化硅可以较低功率损耗实现高频开关。而硅器件在此电压范围内几乎无法胜任。

在任何给定的封装中，与硅相比，碳化硅器件具备更低的导通电阻（RDS(ON)）和开关损耗。

在与硅器件相同的设计中，碳化硅能提供更高的效率和更出色的散热性能，甚至更高的系统额定功率。

碳化硅Cascode JFET：无缝升级替代硅基方案，卓越性能全面释放

这些优势也体现在安森美 EliteSiC Cascode JFET 的性能中，这是一种更新且功能更强大的器件，针对多种功率应用进行了优化。

与硅基栅极驱动器兼容：实现向碳化硅的无缝过渡

首先，碳化硅Cascode JFET 的结构允许使用标准硅基栅极驱动器。这简化了从硅基到碳化硅设计的过渡，提供了更大的设计灵活性。它们与各种类型的栅极驱动器兼容，包括为 IGBT、硅超结 MOSFET 和 碳化硅MOSFET 设计的驱动器。

图3：按电压分类的功率半导体器件

其他优势

在给定封装中，拥有业内领先的漏源导通电阻RDS(ON)，可最大程度地提高系统效率。

更低的电容允许更快的开关速度，因此可以实现更高的工作频率；这进一步减小了如电感器和电容器等大体积无源元件的尺寸。

与传统应用于这一细分领域的硅基IGBT相比，碳化硅Cascode JFET在更高电压等级（1200V或以上）下能够实现更高的工作频率，而硅基IGBT通常速度较慢，仅能在较低频率下使用，因此开关损耗较高。

安森美EliteSiC Cascode JFET器件在给定RDS(ON) 的条件下，实现更小的裸片尺寸，并减轻了碳化硅 MOSFET常见的栅极氧化层可靠性问题。

SiC MOSFET vs. 安森美SiC Cascode JFET:深入对比

让我们花一点时间来更深入地了解SiC MOSFET 与 安森美SiC JFET 技术之间的差异。从下面的图 3 中我们可以看到，SiC MOSFET 技术不同于安森美的集成式SiC Cascode JFET——这是精心设计的结果。安森美设计的SiC JFET去掉了碳化硅MOSFET 的栅极氧化层，这不仅消除了沟道电阻，还让裸片尺寸更为紧凑。

安森美碳化硅 JFET 较小的裸片尺寸成为其差异化优势的一个关键所在，"RDS(ON)x A"（RdsA）品质因数 (FOM) 得以最佳体现，如图 4 所示。这意味着对于给定的芯片尺寸，SiC JFET 具有更低的导通电阻额定值，或者换言之，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 方面的卓越表现树立了行业领先地位，体现在以相对较小的行业标准封装（如 TOLL 和 D2PAK）提供的超低额定电阻产品。

图 4：碳化硅MOSFET 与安森美Cascode JFET 的比较

(从外部看，Cascode 是一种常关 FET）。

与SiC MOSFET 相比，EliteSiC Cascode JFET 具有更低的输出电容 Coss。输出电容较低的器件在低负载电流下开关速度更快，电容充电延迟时间更短。这意味着，由于减少了对电感器和电容器等大体积无源元件的需求，现在可以制造出更小、更轻、成本更低且功率密度更高的终端设备。

图 5：安森美碳化硅Cascode JFET 与碳化硅 MOSFET 的竞争产品对比

以下是关于SiC MOSFET的其他挑战：

碳化硅MOS 沟道电阻高，导致电子迁移率较低。

Vth在栅极偏置较高的情况下会发生漂移，这意味着栅极到源极的电压驱动范围受到限制。

体二极管具有较高的拐点电压，因此需要同步整流。

然而，使用安森美的SiC JFET，上述缺陷得以根本解决，因为：

SiC JFET 结构的器件上摒弃 MOS（金属氧化物）结构，因此器件更加可靠。

在相同芯片面积下，漏极至源极电阻更低。

电容更低，这意味着更快的开关转换和更高的频率。

为什么选择安森美EliteSiC Cascode JFET？

尽管市场上可供选择的SiC功率半导体种类繁多，但在某些特定应用中，一些器件的表现确实比其他器件更为出色。安森美的集成式SiCCascode JFET便是其中的佼佼者，因其低 RDS(ON)、低输出电容和高可靠性等独特优势，能够提供卓越的性能。

此外，碳化硅 Cascode JFET架构使用标准硅基栅极驱动器，简化了从硅到碳化硅的过渡过程，可在现有设计中实施。因此，它为从硅到碳化硅的过渡提供了灵活性--实施简单，同时得益于SiC技术而提供卓越的性能。

这些优点帮助安森美的SiCCascode JFET 技术在其他技术无法企及的领域大放异彩。碳化硅JFET 的增强性能使其在用于人工智能数据中心、储能和直流快充等 AC-DC 电源单元中实现更高的效率。

随着对更高功率密度和更紧凑外形需求的增加，安森美SiC Cascode JFET 能够实现更小、更轻和更低成本的终端设备。由于减少了对电感器和电容器等大体积无源元件的需求，有助于实现更高的功率密度。