宽带隙器件的优、缺点

　　几乎没有必要用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术来描述宽带隙（WBG）器件的质量，因为单从这些器件标注的名称已经足以保证极高的功率密度和匹配效率，最近的一个例证是“小盒子挑战”，它将特定转换器的目标功率密度提高了三倍。在实际系统中，设计人员需要通常由SiC MOSFET和增强型GaN（e-GaN）HEMT单元提供的OFF开关，但它们并不十全十美，都有自己的局限性和缺陷。这两种类型的器件都需要非常特殊的栅极驱动电压。SiC MOSFET具有相对较差的体二极管，而GaN器件则没有经典的体二极管，且没有雪崩电压特性。在“斩波器”、半桥和“图腾柱”功率因数（PFC）级等许多实际应用中，需要体二极管或其他类似的器件。为了显著提高效率，SiC-MOSFET和GaN HEMT需要并联一个高性能二极管，增加了总体成本和复杂性。

　　SiC共源共栅：一个古老技术的现代应用

　　20世纪30年代，人们将真空管串联起来，从而形成性能比任何一个单独部件都好的混合器件。为了充分利用宽带隙技术，现代制造商们把这种古老想法进行了重新设计，该技术被命名为“共源共栅极”，并在过去几年来以BJT和MOSFET形式重新出现在市场。

　　在宽带隙的实施中，共源共栅是指一个Si-MOSFET和通常为导通 SiC-JFET（ON SiC-JFET）器件的串联连接（如图1所示）。当栅极处于高电平时，MOSFET导通，使JFET栅极 - 源极短路，强制其导通。当MOSFET栅极为低电平时，其漏极电压上升，直到JFET栅极 - 源极电压达到约-7V，将其关断，因而在MOSFET漏极上加有约7-10V的电压。混合电路正常关断，栅极驱动电压现在不是关键指标，MOSFET反向恢复电荷很低，电压降低，其体二极管变快。这些属性源于MOSFET是一种低电压型器件，针对应用进行了优化，并通常与SiC晶片共用封装。

　　图1：Si-MOSFET和SiC-JFET的共源共栅排列。

　　共源共栅现在可以作为SiC-MOSFET和GaN HEMT的一个具有非常大吸引力的替代品，并且能够很容易地用于目前正在使用Si-MOSFET和IGBT的传统设计。图表2给出了典型的650V共源共栅器件与其他宽带隙器件和超级结Si-MOSFET的比较。

　　图表2：SiC共源共栅与其他WBG器件和超级结MOSFET的比较。

　　其中一个最重要的参数是RDSA，意味着非常小的晶片尺寸，其他都基本相同。 这反过来导致低“米勒”输入和输出电容COSS，从而具有低开关损耗EOSS，以及一流的整体损耗品质因数RDS * EOSS。在具备自然钳位效应的雪崩条件下，共源共栅有良好的性能表现，而GaN器件由于没有标称雪崩则不然。共源共栅器件由于具有高饱和电流，可以针对通道产生“夹止效应（pinching off）”，因而能够很好地处理4μs或以上的瞬间短路。导通电阻的正温度系数也很有帮助。与其他器件不同，饱和电流不依赖于栅极驱动电压，并且在升高到大约8V的VGS下依然能够保持基本恒定。

　　尽管晶片尺寸较小，但热传导效率仍然很高，SiC的热传导率比GaN、Si以及有高TJ(MAX)值的典型WBG器件高三倍。

　　共源共栅器件允许的±25V栅极驱动电压宽幅变化意味着其与用Si或SiC MOSFET设计实现的系统能够直接兼容，所以在这些系统中可以用共源共栅器件代替原来的器件。即使是变化范围典型值为+ 15 / -9V的IGBT栅极驱动也会很轻松地驱动共源共栅，因而可以更新原来的旧开关技术以获得更好性能，或者在旧器件过期的时候加以更换。一个电池充电器制造商的案例研究表明，用共源共栅器件替代IGBT可以在10kW级别节省1.5％的效率，并可提高30％的功率输出[1]。如果栅极电压摆幅调整到较低水平，共源共栅器件栅极电荷明显少于IGBT，而且栅极驱动功率要求也大大降低。

　　共源共栅器件可以使用熟悉的TO-247封装，因此物理上可以插入IGBT或Si / SiC-MOSFET器件的插座，但对栅极驱动电路做微小改变可使该解决方案更加优化。图3所示的典型电路具有独立的R（ON）和R（OFF）值，可以有效控制dV/dt和di/dt水平，铁氧体磁珠根据布局需要来实施阻尼振荡。由于实际上并不存在米勒电容，所以不需要栅极负驱动电压，以防止电流从漏极dV / dt注入栅极，从而引起虚假导通。无论如何，如同任何开关型器件一样，在栅极周围的布局应该遵循所示的良好规范，以使源极连接中的电感最小化，这种连接可能将电压瞬态从沟道di/dt耦合到栅极。

　　图3：典型的SiC共源共栅栅极驱动。