寬帶隙器件的優、缺點

　　幾乎沒有必要用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術來描述寬帶隙（WBG）器件的質量，因為單從這些器件標注的名稱已經足以保證極高的功率密度和匹配效率，最近的一個例證是“小盒子挑戰”，它將特定轉換器的目標功率密度提高了三倍。在實際系統中，設計人員需要通常由SiC MOSFET和增強型GaN（e-GaN）HEMT單元提供的OFF開關，但它們并不十全十美，都有自己的局限性和缺陷。這兩種類型的器件都需要非常特殊的柵極驅動電壓。SiC MOSFET具有相對較差的體二極管，而GaN器件則沒有經典的體二極管，且沒有雪崩電壓特性。在“斬波器”、半橋和“圖騰柱”功率因數（PFC）級等許多實際應用中，需要體二極管或其他類似的器件。為了顯著提高效率，SiC-MOSFET和GaN HEMT需要并聯一個高性能二極管，增加了總體成本和復雜性。

　　SiC共源共柵：一個古老技術的現代應用

　　20世紀30年代，人們將真空管串聯起來，從而形成性能比任何一個單獨部件都好的混合器件。為了充分利用寬帶隙技術，現代制造商們把這種古老想法進行了重新設計，該技術被命名為“共源共柵極”，并在過去幾年來以BJT和MOSFET形式重新出現在市場。

　　在寬帶隙的實施中，共源共柵是指一個Si-MOSFET和通常為導通 SiC-JFET（ON SiC-JFET）器件的串聯連接（如圖1所示）。當柵極處于高電平時，MOSFET導通，使JFET柵極 - 源極短路，強制其導通。當MOSFET柵極為低電平時，其漏極電壓上升，直到JFET柵極 - 源極電壓達到約-7V，將其關斷，因而在MOSFET漏極上加有約7-10V的電壓。混合電路正常關斷，柵極驅動電壓現在不是關鍵指標，MOSFET反向恢復電荷很低，電壓降低，其體二極管變快。這些屬性源于MOSFET是一種低電壓型器件，針對應用進行了優化，并通常與SiC晶片共用封裝。

　　圖1：Si-MOSFET和SiC-JFET的共源共柵排列。

　　共源共柵現在可以作為SiC-MOSFET和GaN HEMT的一個具有非常大吸引力的替代品，并且能夠很容易地用于目前正在使用Si-MOSFET和IGBT的傳統設計。圖表2給出了典型的650V共源共柵器件與其他寬帶隙器件和超級結Si-MOSFET的比較。

　　圖表2：SiC共源共柵與其他WBG器件和超級結MOSFET的比較。

　　其中一個最重要的參數是RDSA，意味著非常小的晶片尺寸，其他都基本相同。 這反過來導致低“米勒”輸入和輸出電容COSS，從而具有低開關損耗EOSS，以及一流的整體損耗品質因數RDS * EOSS。在具備自然鉗位效應的雪崩條件下，共源共柵有良好的性能表現，而GaN器件由于沒有標稱雪崩則不然。共源共柵器件由于具有高飽和電流，可以針對通道產生“夾止效應（pinching off）”，因而能夠很好地處理4μs或以上的瞬間短路。導通電阻的正溫度系數也很有幫助。與其他器件不同，飽和電流不依賴于柵極驅動電壓，并且在升高到大約8V的VGS下依然能夠保持基本恒定。

　　盡管晶片尺寸較小，但熱傳導效率仍然很高，SiC的熱傳導率比GaN、Si以及有高TJ(MAX)值的典型WBG器件高三倍。

　　共源共柵器件允許的±25V柵極驅動電壓寬幅變化意味著其與用Si或SiC MOSFET設計實現的系統能夠直接兼容，所以在這些系統中可以用共源共柵器件代替原來的器件。即使是變化范圍典型值為+ 15 / -9V的IGBT柵極驅動也會很輕松地驅動共源共柵，因而可以更新原來的舊開關技術以獲得更好性能，或者在舊器件過期的時候加以更換。一個電池充電器制造商的案例研究表明，用共源共柵器件替代IGBT可以在10kW級別節省1.5％的效率，并可提高30％的功率輸出[1]。如果柵極電壓擺幅調整到較低水平，共源共柵器件柵極電荷明顯少于IGBT，而且柵極驅動功率要求也大大降低。

　　共源共柵器件可以使用熟悉的TO-247封裝，因此物理上可以插入IGBT或Si / SiC-MOSFET器件的插座，但對柵極驅動電路做微小改變可使該解決方案更加優化。圖3所示的典型電路具有獨立的R（ON）和R（OFF）值，可以有效控制dV/dt和di/dt水平，鐵氧體磁珠根據布局需要來實施阻尼振蕩。由于實際上并不存在米勒電容，所以不需要柵極負驅動電壓，以防止電流從漏極dV / dt注入柵極，從而引起虛假導通。無論如何，如同任何開關型器件一樣，在柵極周圍的布局應該遵循所示的良好規范，以使源極連接中的電感最小化，這種連接可能將電壓瞬態從溝道di/dt耦合到柵極。

　　圖3：典型的SiC共源共柵柵極驅動。