onsemi UF4C120053B7S碳化硅共源共栅JFET深度解析

在电力电子领域，碳化硅（SiC）器件凭借其卓越的性能正逐渐成为主流。今天我们聚焦于 onsemi 的 UF4C120053B7S，一款 1200V、53mΩ 的 G4 SiC FET，深入探讨其特性、参数及应用。

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一、产品概述

UF4C120053B7S 采用独特的“共源共栅”电路配置，将常开型 SiC JFET 与 Si MOSFET 封装在一起，形成常闭型 SiC FET 器件。这种设计使得该器件具备标准的栅极驱动特性，在替换 Si IGBT、Si 超结器件或 SiC MOSFET 时，只需进行最小限度的重新设计，就能使用现成的栅极驱动器。它采用节省空间的 TO - 263 - 7 封装，便于自动化组装，并且具有超低栅极电荷和出色的反向恢复特性，非常适合用于开关感性负载以及任何需要标准栅极驱动的应用。

二、产品特性

1. 低导通电阻

导通电阻 (R{DS(on)}) 典型值为 53mΩ，有助于降低导通损耗，提高系统效率。在不同温度下，导通电阻会有所变化，例如在 (T{J}=125^{circ}C) 时，(R{DS(on)}) 典型值为 112mΩ；在 (T{J}=175^{circ}C) 时，典型值为 159mΩ。

2. 宽工作温度范围

最大工作温度可达 175°C，能适应较为恶劣的工作环境，保证了产品在高温条件下的可靠性。

3. 优秀的反向恢复特性

反向恢复电荷 (Q{rr}=98nC)，反向恢复时间 (t{rr}) 在不同条件下有不同表现，如在 (T{J}=25^{circ}C) 时为 15.2ns，在 (T{J}=150^{circ}C) 时为 19.6ns。这使得器件在开关过程中能快速恢复，减少开关损耗。

4. 低体二极管正向压降

体二极管正向压降 (V_{FSD}) 为 1.28V，降低了二极管导通时的功率损耗。

5. 低栅极电荷

栅极电荷 (Q_{G}=37.8nC)，可以减少栅极驱动所需的能量，降低驱动电路的功耗。

6. 阈值电压与驱动范围

阈值电压 (V_{G(th)}) 典型值为 4.8V，允许 0 至 15V 的驱动电压，方便与常见的栅极驱动器匹配。

7. 低固有电容

具有低的输入电容 (C{iss})、输出电容 (C{oss}) 和反向传输电容 (C_{rss})，有助于提高开关速度和降低开关损耗。

8. ESD 保护

具备 HBM 2 类和 CDM C3 类 ESD 保护，增强了器件的抗静电能力，提高了产品的可靠性。

9. 环保特性

该器件无铅、无卤素，符合 RoHS 标准，满足环保要求。

三、主要参数

1. 最大额定值

参数	符号	测试条件	值	单位
漏源电压	(V_{DS})	1200	V
栅源电压	(V_{GS})	DC	-20 至 +20	V
AC (f > 1 Hz)	-25 至 +25	V
连续漏极电流（注 1）	(I_{D})	(T_{C}=25^{circ}C)	34	A
(T_{C}=100^{circ}C)	24.6	A
脉冲漏极电流（注 2）	(I_{DM})	(T_{C}=25^{circ}C)	100	A
单脉冲雪崩能量（注 3）	(E_{AS})	L = 15mH, (I_{AS}=2.7A)	54.6	mJ
SiC FET dv/dt 鲁棒性	(dv/dt)	(V_{DS}≤800V)	150	V/ns
功率耗散	(P_{tot})	(T_{C}=25^{circ}C)	250	W
最大结温	(T_{J, max})	175	°C
工作和存储温度	(T{J}, T{STG})	- 55 至 175	°C
回流焊接温度	(T_{solder})	回流 MSL 1	245	°C

注：

1. 受 (T_{J, max}) 限制。
2. 脉冲宽度 (t{p}) 受 (T{J, max}) 限制，起始 (T_{J}=25^{circ}C)。

2. 热特性

热阻，结到壳 (R_{JC}) 典型值为 0.46°C/W，最大值为 0.60°C/W。

3. 电气特性

静态特性

• 漏源击穿电压 (BV{DS})：在 (V{GS}=0V)，(I_{D}=1mA) 时，最小值为 1200V。
• 总漏极泄漏电流 (I{DSS})：在 (V{DS}=1200V)，(V{GS}=0V)，(T{J}=25^{circ}C) 时，典型值为 0.2μA；在 (T_{J}=175^{circ}C) 时，典型值为 15μA。
• 总栅极泄漏电流 (I{GS})：在 (V{DS}=0V)，(T{J}=25^{circ}C)，(V{GS}=-20V/+20V) 时，典型值为 6μA，最大值为 20μA。
• 栅极电阻 (R_{G})：在 f = 1MHz，漏极开路时，典型值为 4.5Ω。

反向二极管特性

• 二极管连续正向电流 (I{S})：在 (T{C}=25^{circ}C) 时，典型值为 34A。
• 二极管脉冲电流 (I{S, pulse})：在 (T{C}=25^{circ}C) 时，典型值为 100A。
• 正向电压 (V{FSD})：在 (I{S}=10A)，(T{J}=25^{circ}C)，(V{GS}=0V) 时，典型值为 1.28V；在 (T_{J}=175^{circ}C) 时，典型值为 1.96V。
• 反向恢复电荷 (Q{rr})：在 (V{DS}=800V)，(I{S}=25A)，(V{GS}=-5V)，(R{G}=20Ω)，(di/dt = 1600A/μs)，(T{J}=25^{circ}C) 时，典型值为 98nC；在 (T_{J}=150^{circ}C) 时，典型值为 105nC。
• 反向恢复时间 (t{rr})：在 (T{J}=25^{circ}C) 时为 15.2ns，在 (T_{J}=150^{circ}C) 时为 19.6ns。

动态特性

• 输入电容 (C{iss})：在 (V{DS}=800V)，(V_{GS}=0V)，f = 100kHz 时，典型值为 1370pF。
• 输出电容 (C_{oss})：典型值为 43.5pF。
• 反向传输电容 (C_{rss})：典型值为 2.2pF。
• 有效输出电容（能量相关）(C{oss(er)})：在 (V{DS}=0V) 至 800V，(V_{GS}=0V) 时，典型值为 54pF。
• 有效输出电容（时间相关）(C_{oss(tr)})：典型值为 100pF。
• (C{oss}) 存储能量 (E{oss})：在 (V{DS}=800V)，(V{GS}=0V) 时，典型值为 17.3μJ。
• 总栅极电荷 (Q{G})：在 (V{DS}=800V)，(I{D}=25A)，(V{GS}=0V) 至 15V 时，典型值为 37.8nC。
• 栅漏电荷 (Q_{GD})：典型值为 9.5nC。
• 栅源电荷 (Q_{GS})：典型值为 10nC。

开关时间和能量方面，在不同温度和测试条件下有相应的参数，如在 (T{J}=25^{circ}C) 时，开通延迟时间 (t{d(on)}) 典型值为 20ns，上升时间 (t{r}) 典型值为 32ns 等；在 (T{J}=150^{circ}C) 时，开通延迟时间 (t{d(on)}) 典型值为 24ns，上升时间 (t{r}) 典型值为 33ns 等。

四、典型应用

1. 电动汽车充电

在电动汽车充电系统中，UF4C120053B7S 的低导通电阻和优秀的开关特性可以降低充电过程中的能量损耗，提高充电效率。同时，其高工作温度范围和良好的可靠性也能适应电动汽车复杂的工作环境。

2. 光伏逆变器

光伏逆变器需要高效的功率转换，该器件的低损耗特性有助于提高逆变器的整体效率，将太阳能更有效地转换为电能并入电网。

3. 开关模式电源和功率因数校正模块

在开关模式电源中，UF4C120053B7S 能够快速开关，减少开关损耗，提高电源的效率和稳定性。在功率因数校正模块中，它可以改善功率因数，减少谐波失真。

4. 感应加热

感应加热系统需要高频开关，该器件的高速开关特性和低损耗能够满足感应加热的需求，提高加热效率和控制精度。

五、设计建议

1. PCB 布局

由于 SiC FET 具有较高的 dv/dt 和 di/dt 速率，为了减少电路寄生参数的影响，强烈建议进行合理的 PCB 布局设计。尽量缩短栅极和漏极的走线长度，减小寄生电感和电容。

2. 外部栅极电阻

当 FET 在二极管模式下工作时，建议使用外部栅极电阻，以实现最佳的反向恢复性能。

3. 缓冲电路

使用具有小 (R{(G)}) 的缓冲电路可以提供更好的 EMI 抑制效果，同时提高效率。与使用高 (R{(G)}) 值相比，小 (R{(G)}) 能更好地控制关断时的 (V{(DS)}) 峰值尖峰和振铃持续时间，并且总开关损耗更小，在中到满载范围内能显著降低 (E{(OFF)})，仅使 (E{(ON)}) 有小幅度增加，从而提高系统效率。

六、总结

onsemi 的 UF4C120053B7S 碳化硅共源共栅 JFET 以其出色的性能和特性，在多个电力电子应用领域展现出巨大的优势。工程师在设计相关电路时，可以充分利用其低导通电阻、优秀的反向恢复特性和宽工作温度范围等优点，同时注意 PCB 布局和外部元件的选择，以实现系统的高效、可靠运行。你在实际应用中是否使用过类似的 SiC 器件？遇到过哪些问题和挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。