超共源共栅简史

尽管宽带隙半导体已在功率开关应用中略有小成，但在由 IGBT 占主导的高电压/高功率领域仍未有建树。然而，使用 SiC FET 的 “超共源共栅” 将打破现有局面。让我们一起来了解超共源共栅的历史，并探讨如何将其重新用于优化现代设计。

这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布，该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商，它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。

上了年纪的设计师在看到 “超共源共栅” 一词时，可能会联想到 Admiral 的 24 英寸 30 系列电视机。该系列号称 “机箱采用超共源共栅结构，配有额外的真空管，可提供出色的功率和零干扰接收性能，同时还内置了全向天线”。甚至有一个带电线的遥控器。如今，超共源共栅另有含义。从 1939 年的管式稳压器，到早期的音频放大器，再到高电压应用中的双极晶体管堆栈，我们可以了解到这个词的起源。目前我们尚不清楚电视机箱描述中的 “超” 一词是否只是 “非常棒” 的意思，但是对额外真空管的描述似乎暗示了现在常说的超共源共栅的早期布局，也就是由一个硅 MOSFET 控制的 SiC 半导体开关堆栈。

那么，此概念是如何重现于视野的呢？开关式电源和逆变器是现代功率转换的常用工具，根据功率和电压电平的不同，其各自使用的半导体类型不尽相同。IGBT 是一种成熟的低成本解决方案，但仅在低频下开关时才能保持低损耗，同时还需要使用大型且昂贵的相关磁性组件。Si-MOSFET 可在更高频率下使用，但如果不借助高成本的专用组件，电压将会限制在 1000V 左右。此外在高功率、高电压时，Si-MOSFET 的导通电阻较高、效率较低，同时导电损耗显著，而且在能量回收水平较高时，其体二极管的用处不大。这里给出的解决方案，在外部并联二极管以实现 “第三象限” 操作，同时使用额外的低压阻断肖特基二极管来阻止电流流向 MOSFET 体二极管，但这会进一步增加成本，提高导电损耗。并联 MOSFET 可解决导电损耗问题，但这会使动态损耗更高，让电流监测变复杂，且额定电压仍会受限。

SiC 半导体固有的高电压特性使其成为更优解决方案，但用作 SiC MOSFET 的体二极管性能较差，需搭配精心设计的栅极驱动才能实现高效运行。此时，“共源共栅” 或 “SiC FET” 进入了人们的视野，通过结合 Si-MOSFET 与常开 SiC JFET，就可以得到一个常闭快速混合开关。其体二极管具有低传导损耗、低损耗的特点，采用简单的非临界栅极驱动。

SiC FET 是迈向理想开关的重大进步。UnitedSiC 现提供额定电压高达 1700V 的 SiC FET 产品，但在更高电压的应用中，IGBT 似乎仍是唯一可行的解决方案。不过，共源共栅或 SiC FET 的实践历史非常丰富，使用数个 SiC JFET 堆栈（而不是单个器件）配置的 “超共源共栅” 可实现更高的额定电压。如图所示。

电路中的无源组件尺寸小巧，可用于偏置和平衡串联的JFET (J1-J5) 两端的电压，而 Si-MOSFET M1 则是具有标准栅极驱动的低压型组件。为实现更高的额定电压，我们可以将更多的 SiC JFET 器件或完整的超共源共栅模块堆叠在一起。UnitedSiC 展示的一个 40kV/1A 开关模块为我们提供了示例，该模块共使用了 30 个额定电压值为 1700V 的 SiC JFET 晶粒，最后测得组合导通电阻仅为 30 欧姆。

图：使用 5 个 SiC JFET 实现额定电压约为 5kV 的 SiC FET “超共源共栅”

超共源共栅解决方案的一个好处在于，电流监测变得简单了。借助用隔离元件构建的单个 Si-MOSFET，我们通常能以 1:1000 的感测比例监测电流状况。去饱和检测也变得更加简单，因为我们可以监测 Si-MOSFET 的漏级，其电压在导通或阻断状态下通常仅为几伏特。

该技术的最大优势或许是能够在堆栈中使用标准现成部件。这些部件均经过实际验证且成本较低，在考虑不同高频开关的系统优势时，其整体成本比并联 MOSFET 甚至 IGBT 都更低。由此，最终产品开发时间得以缩短，风险也得以降低。

超共源共栅的损耗非常低，是未来高功率、高频率开关应用的理想选择，将会应用于电动汽车快速充电器、牵引逆变器、可再生能源等领域。相关组件将采用标准模块封装，不过我猜应该不会像 Admiral 电视那样采用枫木、胡桃木或红木色调。