SiC市场的下一个爆点：共源共栅（cascode）结构详解

本文作者：Jonathan Dodge, P.E.

安森美 (onsemi)cascode FET （碳化硅共源共栅场效应晶体管）在硬开关和软开关应用中有诸多优势，SiC JFET cascode应用指南讲解了共源共栅（cascode）结构、关键参数、独特功能和设计支持。本文为第一篇，将重点介绍Cascode结构。

Cascode简介

碳化硅结型场效应晶体管（SiC JFET）相比其他竞争技术具有一些显著的优势，特别是在给定芯片面积下的低导通电阻（称为RDS.A）。为了实现最低的RDS.A，需要权衡的一点是其常开特性，这意味着如果没有栅源电压，或者JFET的栅极处于悬空状态，那么JFET将完全导通。

然而，开关模式在应用中通常需要常关状态。因此，将SiC JFET与低电压硅MOSFET以cascode 配置结合在一起，构造出一个常关开关模式“FET”，这种结构保留了大部分SiC JFET的优点。

Cascode结构

共源共栅（Cascode）结构是通过将一个SiC JFET与一个低压、常关的硅（Si）MOSFET串联而成，其中JFET的栅极连接到MOSFET的源极。MOSFET的漏源电压是JFET栅源电压的反相，从而使cascode 结构具有常见的常关特性。该结构可在额定漏源电压范围内阻断电流，但如同任何MOSFET（无论是硅基还是碳化硅基器件）一样，其反向电流始终可以流通。

图 1 Cascode配置

当内部MOSFET导通或有反向电流流过时，不论cascode的栅极电压如何，JFET的栅极-源极电压几乎为零，JFET处于导通状态。当MOSFET关断且cascode两端存在正的VDS（漏源电压）时，MOSFET的VDS会增加，与此同时JFET的栅源电压会降低至低于JFET的阈值电压，从而关断 JFET。请参见图1。

图 2 分立cascode结构

分立cascode 结构采用并排芯片，如图 2（a）所示，或堆叠芯片，如图 2（b）所示。在这两种情况下，SiC JFET 通常都是银烧结在封装引线框架上。

在并排配置中，MOSFET 安装在一个金属镀层的陶瓷隔离器上，有两组源极连接线：一组连接 JFET 源极和 MOSFET 漏极（金属镀层陶瓷的顶面），另一组连接 MOSFET 源极和源极引脚。在堆叠芯片配置中，JFET 源极和 MOSFET 漏极之间的连接线被取消，从而减少了杂散电感。并采用直径较小的连接线连接 JFET 和 MOSFET 栅极。

该MOSFET专为cascode结构设计，其有源区雪崩电压设定约为25V。MOSFET基于30V 硅工艺制造，具有低导通电阻RDS(on)，通常仅为JFET的10%，并且具有低反向恢复电荷QRR等特性。JFET用于阻断高电压。大部分的开关和导通损耗都集中在JFET上。

图 3 Cascode正向和反向电流操作

Cascode的导通电阻RDS(on)包括 SiC JFET 和低压Si MOSFET 的导通电阻。cascode栅极关断时，反向电流流经 MOSFET 体二极管，从而自动导通 JFET，如图 3（b）所示的非同步反向电流情况。

在这种情况下，源极-漏极电压为 MOSFET 体二极管压降加上 JFET 导通电阻的压降。由于cascode内的 MOSFET 由硅制成，因此栅极关断时的源极-漏极电压不到同类 SiC MOSFET 的一半。当栅极导通时，cascode结构在正向和反向电流下具有相同的导通损耗。

Cascode的栅极电压范围非常灵活，原因有二。首先，栅极是 MOSFET 栅极，在室温下阈值电压接近 5 V，无需负栅极电压。栅极电压范围为±20 V，且不存在阈值电压漂移或迟滞风险，同时内置了栅极保护齐纳二极管。其次，cascode具有高增益。图 4 显示了采用 TOLL (MO-229) 封装的 750 V、5.4 mΩ第 4 代堆叠芯片结构的cascode—— UJ4SC075005L8S 在 25 °C的输出特性曲线。

图 4 Cascode的高增益可实现 10 V 栅极驱动

请注意，当cascode栅源电压超过约 8 V 时，其电导率的变化非常小。一旦MOSFET导通，JFET即完全导通。这意味着cascode可以用 0 至 10 V 的自举电压来驱动，从而最大限度地降低栅极驱动器的功率和成本。  另一方面，更宽的栅极电压范围（如 -5 至 +18 V）也不会对器件造成损害。

图 5 Cascode电容

图 5(a) 显示了 MOSFET 和 JFET 的芯片电容变化曲线。请注意，图 5(b) 中的 JFET 栅极电阻 RJG 并不是一个单独的电阻，而是 JFET 芯片的一部分。cascode与其他功率晶体管的一个主要区别是没有栅漏电容。当漏源电压VDS超过JFET阈值电压后，Crss实际上会降至零。这是因为 JFET 没有漏极-源极电容（既没有 PN 结，也没有体二极管来产生这种电容）。

这意味着在开关电压转换过程中，cascode的 dVDS/dt 主要由外部电路而不是cascode栅极电阻决定。Cascode的 MOSFET 开关速度可通过其栅极电阻调节，而 JFET 的开关速度部分由 MOSFET 决定，部分则由外部电路决定。这解释了为何在硬开关情况下，cascode结构需借助漏源缓冲电路（snubber）来控制关断速度并抑制电压过冲，下文将对此进行说明。所有 JFET 输出电容（包括栅漏电容与漏源电容）都是栅漏电容。cascode输出电容 Coss约等于 JFET 栅极-漏极电容。cascode输入电容 Ciss主要来自cascode的 MOSFET 栅极-源极电容。

未完待续，后续推文将介绍Cascode开关特性。