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。
表1 硅器件（Si）与碳化硅（SiC）器件的比较
特性 | Si | 4H-SiC | GaN |
禁带能量（eV） | 1.12 | 3.26 | 3.50 |
电子迁移率(cm2/Vs) | 1400 | 900 | 1250 |
空穴迁移率(cm2/Vs) | 600 | 100 | 200 |
击穿电场(MV/cm) | 0.3 | 2.0 | 3.5 |
导热性(w/cm°c) | 1.5 | 4.9 | 1.3 |
最高结温(°C) | 150 | 600 | 400 |
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，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）。
本文将探讨碳化硅MOSFET的技术优势。
图1 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2 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。
● 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 MOSFETvs. 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，SiCMOSFET 技术不同于安森美的集成式SiCCascode JFET——这是精心设计的结果。安森美设计的SiCJFET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，SiCJFET 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3 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SiCMOSFET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4 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SiCMOSFET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SiCJFET，上述缺陷得以根本解决，因为：
● SiCJFET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。
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