碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管(SiC JFET)相比其他競爭技術(shù)具有一些顯著的優(yōu)勢，特別是在給定芯片面積下的低導(dǎo)通電阻(稱為RDS.A)。為了實現(xiàn)最低的RDS.A，需要權(quán)衡的一點是其常開特性，這意味著如果沒有柵源電壓，或者JFET的柵極處于懸空狀態(tài)，那么JFET將完全導(dǎo)通。然而，開關(guān)模式在應(yīng)用中通常需要常關(guān)狀態(tài)。因此，將SiC JFET與低電壓硅MOSFET以 Cascode 配置結(jié)合在一起，構(gòu)造出一個常關(guān)開關(guān)模式“FET”，這種結(jié)構(gòu)保留了大部分SiC JFET的優(yōu)點。第一篇介紹了Cascode結(jié)構(gòu)，本文為第二篇，將介紹Cascode開關(guān)特性。

Cascode開關(guān)特性

硬開關(guān)

大多數(shù) Cascode結(jié)構(gòu)的關(guān)斷損耗(Eoff)低于開通損耗(Eon)。這一特性在數(shù)據(jù)手冊的開關(guān)損耗與電流關(guān)系圖中明顯體現(xiàn)，如圖3(a)所示。 Cascode結(jié)構(gòu)的固有開關(guān)速度主要由JFET電容及其片上柵極電阻決定，這些參數(shù)通過設(shè)計進(jìn)行調(diào)整使總開關(guān)損耗具有競爭力：Etotal= Eoff+ Eon。

應(yīng)用 Cascode的主要目的是減慢關(guān)斷速度，以抑制電壓過沖和振鈴。因此，理解 Cascode的電容特性非常重要。圖1展示了一個帶有感性負(fù)載的 Cascode在關(guān)斷時的情況。圖中標(biāo)注了其輸出電容(等于JFET的柵漏電容)、片上JFET柵極電阻，以及SiC JFET與Si MOSFET。

圖 1 帶緩沖電路的Cascode關(guān)斷情況

圖 1 中的實線箭頭表示 Cascode 導(dǎo)通時流經(jīng)感性負(fù)載和 Cascode 的電流。當(dāng) Cascode關(guān)斷時，它變?yōu)殡娮杼匦?，隨著 Cascode漏極-源極電壓的增加，電流轉(zhuǎn)向輸出電容和 JFET 柵極電阻。由于缺乏柵極-漏極電容，只有負(fù)載電流會對 Cascode 輸出電容充電; Cascode柵極不會強(qiáng)制流過電流。這使得 Cascode的柵極電荷較低，并且不受 dV/dt 感應(yīng)(寄生)導(dǎo)通的影響，這些都是 Cascode的吸引人之處。

然而，這也對開關(guān)速度控制提出了挑戰(zhàn)：由于 Cascode輸出電容的充電過程不涉及柵極電流，調(diào)整 Cascode柵極電阻無法直接調(diào)節(jié)開關(guān)電壓壓擺率(dV/dt)。柵極電阻可以調(diào)整 Cascode MOSFET 的開關(guān)速度，從而可以間接調(diào)整開關(guān)電流壓擺率 di/dt。 (這只是一種簡化的解釋，因為如果 Cascode柵極電阻足夠大，dV/dt 就可以調(diào)節(jié)，但這樣開關(guān)延遲時間就會過長)。

由于 Cascode的關(guān)斷速度相對于導(dǎo)通速度更快(見圖 3(a))，建議在硬開關(guān)應(yīng)用中使用關(guān)斷緩沖電路，通常采用電阻電容 (RC) 緩沖器的形式，連接在漏極和源極之間。該設(shè)計通過增加外部可調(diào)的輸出電容和阻尼電阻，對 Cascode結(jié)構(gòu)的固定輸出電容進(jìn)行補(bǔ)償。圖 1 顯示了關(guān)斷期間從 Cascode分流出的額外電流，從而降低了 Cascode的 dV/dt 和 di/dt。這種方式有效彌補(bǔ)了僅通過柵極電阻調(diào)節(jié)開關(guān)速度的局限性。

圖2：在硬導(dǎo)通過程中，存儲在輸出電容Coss及部分緩沖電容中的能量會在 Cascode中耗散。

在圖 2 中，輸出電容加上額外的緩沖電容由漏極-源極電容表示。在導(dǎo)通過程中，存儲在輸出電容Coss及部分緩沖電容中的能量會在 Cascode中耗散。緩沖電容的剩余能量則耗散在緩沖電阻中(如果安裝的話)。不過，這只會導(dǎo)致總開關(guān)損耗略有增加。

圖 3 UJ4SC075005L8S 的 (a) 開關(guān)損耗與電流的關(guān)系，以及 (b) 緩沖電阻能量與電流的關(guān)系

圖8(a)展示了UJ4SC075005L8S Cascode在硬開關(guān)條件下的損耗與電流的關(guān)系。從圖中可以看出，導(dǎo)通時的開關(guān)損耗顯著高于關(guān)斷時的損耗，這是許多 Cascode器件的典型特征。圖8(b)則顯示了相同器件對應(yīng)的緩沖電阻的能量損耗。總的緩沖損耗占總硬開關(guān)損耗的3%到5%。

需要注意的是，如果沒有緩沖電路，通常會出現(xiàn)過多的關(guān)斷電壓過沖和振鈴現(xiàn)象。使用緩沖電路后，無論是導(dǎo)通還是關(guān)斷，Cascode的VDS(漏源電壓)、VGS(柵源電壓)以及ID(漏極電流)波形都會受到抑制。實踐證明，緩沖電路是調(diào)節(jié) Cascode開關(guān)特性的最有效方法。相比于沒有緩沖電路且增加?xùn)艠O電阻的情況，使用緩沖電路并減少柵極電阻能夠降低總開關(guān)損耗。SiC JFET Cascode和許多 SiC MOSFET 都是如此。

軟開關(guān)

軟開關(guān)通常包括零電壓開關(guān)(ZVS)，這是由于 FET 在反向電流流過之后才導(dǎo)通，從而使漏極-源極電壓幾乎為零。

圖 4 Coss和緩沖電路電容中存儲的能量在 ZVS 導(dǎo)通時被回收利用

在圖4(a)中，右下側(cè)的 Cascode 正在關(guān)斷，而右上側(cè)的 Cascode 開始續(xù)流(freewheel)。此時，漏源電荷從右上側(cè) Cascode 循環(huán)到負(fù)載。類似地，在圖4(b)中，左上側(cè)的 Cascode 正在關(guān)斷，而左下側(cè)的 Cascode 開始續(xù)流，漏源電荷從左下側(cè) Cascode 循環(huán)到輸入端和負(fù)載。

因此，在零電壓開關(guān)(ZVS)條件下，不僅消除了導(dǎo)通開關(guān)損耗，還因回收了存儲在輸出電容(Coss)和緩沖電容(若存在)中的能量，從而降低了關(guān)斷損耗。若電路中包含緩沖電阻，緩沖電容中的部分能量當(dāng)然會在緩沖電阻中耗散。若無緩沖電路，軟開關(guān)與硬開關(guān)的關(guān)斷損耗(Eoff)差異即為硬開關(guān)的Eoff減去Eoss。對于高速開關(guān)器件而言，這一差值通常很小。

憑借快速的關(guān)斷速度、靈活的柵極驅(qū)動特性以及低 RDS.Coss(SiC JFET 的低 RDS.A)相結(jié)合， Cascode 在軟開關(guān)應(yīng)用中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。根據(jù)電路中其他地方的緩沖情況(例如變壓器和/或輸出整流器兩端)，即使在 ZVS 導(dǎo)通的情況下，仍可能需要為 Cascode配置漏源電容以實現(xiàn)關(guān)斷緩沖。若電路工作在非諧振模式且硬開關(guān)狀態(tài)，則在緩沖電容上串聯(lián)一個阻尼電阻可能有助于優(yōu)化性能。

開關(guān)過程中Cascode 的內(nèi)部動態(tài)解析

我們再次以圖1中帶有感性負(fù)載的 Cascode 關(guān)斷過程為例，圖 5重新繪制了這一過程，但包括了雜散電感。當(dāng) Cascode 中的MOSFET關(guān)斷時，其電阻增大，漏源電壓隨之上升。

實際上，除非 Cascode 的柵極電阻異常大， Cascode 的MOSFET在關(guān)斷過程中都會發(fā)生雪崩擊穿，將JFET的柵源電壓鉗位在-25 V。這對 JFET 來說是完全安全的，因其柵源雪崩電壓遠(yuǎn)低于-25 V。對MOSFET而言亦無風(fēng)險，因其設(shè)計可耐受大電流下的重復(fù)雪崩，且雪崩持續(xù)時間極短，能量低。此時，負(fù)載電流從 JFET 和 MOSFET 溝道分流，對輸出電容(和緩沖電容)充電，直到電路中的其他器件續(xù)流電流。

圖 5 包括雜散電感和相關(guān)電容在內(nèi)的Cascode

Cascode 柵極電阻越小， Cascode的 MOSFET VDS上升越快，MOSFET 將 JFET VGS箝位在 -25 V 的時間越長。當(dāng) JFET VGS被箝位在 -25 V 時，即 MOSFET 處于雪崩狀態(tài)時，JFET VGS與其閾值電壓之間的差值最大。此時JFET 的抗噪聲能力最強(qiáng)。當(dāng)存儲在雜散電感中的能量充分衰減，MOSFET 就會退出雪崩狀態(tài)，此時通常會出現(xiàn)振鈴。雜散電感主要存在于源極連接線和封裝源極引腳中。

雪崩結(jié)束后，隨著JFET完成關(guān)斷瞬態(tài)，MOSFET的VDS將穩(wěn)定在接近JFET閾值電壓的水平。若此時源極電感噪聲過大，就會超過 JFET VGS與 JFET 閾值電壓之間的差值，從而導(dǎo)致 JFET 誤導(dǎo)通。 Cascode結(jié)構(gòu)尤其受益于配備獨(dú)立Kelvin源極引腳的封裝設(shè)計。該設(shè)計通過消除柵極驅(qū)動回路中負(fù)載電流感應(yīng)電壓，有效抑制 Cascode柵極(即其內(nèi)部MOSFET柵極)的振鈴，進(jìn)而降低內(nèi)部JFET柵極的振鈴。類似原理亦適用于導(dǎo)通過程： Cascode中MOSFET的快速導(dǎo)通可縮短其VDS接近JFET閾值電壓的持續(xù)時間，從而提升抗噪聲能力。

續(xù)流后的恢復(fù)

圖6 續(xù)流 Cascode在“反向恢復(fù)”過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

現(xiàn)在，讓我們考慮一個如圖 6(a)所示的續(xù)流 Cascode。即使MOSFET在死區(qū)時間內(nèi)被柵極關(guān)斷，續(xù)流 Cascode的 MOSFET 仍能保持 JFET 導(dǎo)通。電流需換向到另一個 Cascode(本例中為下方)并反向，上方 Cascode才能支持漏極-源極電壓。續(xù)流 Cascode中JFET的柵源電壓(VGS)必須從略高于正值轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀贘FET閾值電壓的負(fù)值。

首先，續(xù)流 Cascode的 MOSFET 會經(jīng)歷真正的反向恢復(fù)，由于 30 V MOSFET 的少數(shù)載流子壽命很短，此過程速度極快且電荷量極小，如圖 6(b) 所示。隨后，與前述硬開關(guān)關(guān)斷類似，MOSFET通常進(jìn)入雪崩狀態(tài)。JFET的VGS變化取決于其輸出電容(柵漏電容)與片上柵極電阻。

與此同時，電流繼續(xù)流過續(xù)流 JFET 及其 MOSFET，直到 JFET 完成關(guān)斷序列，如圖 6(c)所示。其中只有一小部分電流來自續(xù)流 Cascode的 MOSFET 體二極管，大部分反向恢復(fù)電荷來自續(xù)流 Cascode中 JFET 關(guān)斷時的電流。這種 Cascode反向恢復(fù)效應(yīng)與溫度無關(guān)，在很大程度上也與電流無關(guān)，因為它取決于 JFET 柵極-漏極電容和 JFET 柵極電阻。無論電流大小，恢復(fù)電荷都大致相同，這使得大電流下的開關(guān)波形看起來相當(dāng)不錯，但在小電流下會產(chǎn)生相對較高的 Eon。

圖 7 UF4SC120023K4S(1200 V、23 mΩ第四代 Cascode器件)的開關(guān)損耗-電流關(guān)系曲線

Cascode器件數(shù)據(jù)手冊中呈現(xiàn)的Eon與電流曲線偏移(基于感性負(fù)載硬開關(guān)半橋測試數(shù)據(jù))直觀體現(xiàn)了這一反向恢復(fù)效應(yīng)。圖 7 顯示了一個通過推斷得到的 Eon曲線的示例，若能在接近零電流條件下測量Eon，其值幾乎完全由續(xù)流 Cascode的反向恢復(fù)過程引起的。

Cascode 的權(quán)衡

SiC JFET Cascode 結(jié)構(gòu)與 SiC MOSFET 的權(quán)衡因素截然不同。在 SiC 上制造 MOS 柵極的挑戰(zhàn)與 Cascode 結(jié)構(gòu)無關(guān)。 Cascode結(jié)構(gòu)的基本權(quán)衡因素在于反向恢復(fù)電荷效應(yīng)及其相關(guān)的硬開關(guān)導(dǎo)通損耗與關(guān)斷時的電壓過沖、以及易產(chǎn)生振鈴和振蕩之間的平衡。調(diào)節(jié)這一權(quán)衡的主要“調(diào)節(jié)點”是 Cascode 中 JFET 的柵極電阻，但由于其封裝在器件內(nèi)部而無法調(diào)整，因此需依賴外部緩沖電路和柵極電阻來調(diào)節(jié)開關(guān)。

較高的 JFET 柵極電阻會減慢 Cascode 開關(guān)壓擺率，從而使器件更易于使用，但代價是較高的反向恢復(fù)電荷和硬開關(guān)導(dǎo)通損耗。 Gen3 "UJ3 "系列器件提供了這種選擇，其內(nèi)部 JFET 柵極電阻高于安森美(onsemi)所有其他 Cascode產(chǎn)品。UJ3 系列尤其適用于軟開關(guān)及低頻應(yīng)用場景。而 安森美第三代 "UF3" 系列及所有第四代 Cascode 產(chǎn)品則專門進(jìn)行了優(yōu)化以實現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的總開關(guān)損耗，同時具有更高的開關(guān)壓擺率。

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結(jié)語

Cascode 配置是在開關(guān)模式應(yīng)用中利用常開型SiC JFET的低RDS.A的一種方法。

靈活的柵極驅(qū)動、快速關(guān)斷以及低RDS. Coss使得 Cascode 在軟開關(guān)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

沒有柵漏電容帶來了低柵極電荷，但同時也限制了柵極電阻對開關(guān)速度的控制，因此 Cascode可利用緩沖電路來調(diào)節(jié)固有的快速關(guān)斷速度。

Cascode硬開關(guān)反向恢復(fù)效應(yīng)在很大程度上與溫度和電流無關(guān)。

使用Kelvin源連接和盡可能小的柵極電阻時， Cascode 工作效果最佳。

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