【導讀】近年來隨著高性能計算需求的持續增長，HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲器）總線接口被應用到越來越多的芯片產品中，然而HBM的layout實現完全不同於傳統的Package/PCB設計，其基於2.5D interposer的設計中，由於interposer各層厚度非常薄且信號線細

，使得直流損耗、容性負載
、容性/感性耦合等問題嚴重，給串擾和插損指標帶來了非常大的挑戰。

碳化矽功率器件在功率轉換效率、改進的高溫性能和使用更簡單的電路拓撲結構方麵比矽功率器件具有多項優勢。

在電動汽車牽引逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器 (OBC) 等一些需求旺盛的關鍵應用領域
，器件特定的導通電阻 ( R DS(on) × A
，其中A是傳導麵積）是影響器件電容的關鍵品質因數 (FOM)
，從而影響硬開關 (HS) 和軟開關 (SS) 拓tuo撲pu中zhong的de效xiao率lv。隨sui著zhe電dian動dong汽qi車che的de快kuai速su充chong電dian標biao準zhun向xiang更geng高gao電dian壓ya和he更geng高gao功gong率lv的de方fang向xiang發fa展zhan
，可ke能neng需xu要yao並bing聯lian多duo個ge設she備bei

，這zhe可ke能neng導dao致zhi在zai管guan理li設she備bei方fang麵mian麵mian臨lin係xi統tong級ji挑tiao戰zhan
，這zhe些xie設she備bei在zai性xing能neng方fang麵mian可ke能neng無wu法fa很hen好hao地di匹pi配pei時shi間jian和he溫wen度du。因yin此ci


，較jiao低di的de R DS(on)采用低熱阻封裝的器件在這些高功率應用中具有優勢。

UnitedSiC（現為 Qorvo）致力於級聯 SiC FET 架構
，與更傳統的 SiC MOSFET 器件相比

，該架構在一些關鍵器件參數（包括R DS(on) × A ）方麵顯示出多項優勢。在本文中，我們將討論其新型第 4 代 (G4) 750 V 額定設備中的部分優勢，並比較這兩種設備架構。

UnitedSiC 的級聯 SiC FET 由一個 SiC normally on JFET 器件和一個 normally off Si MOSFET 組成
，如圖 1 所示。

圖 1：SiC FET 共源共柵原理圖（：UnitedSiC，現為 Qorvo）

Si MOSFET 是低壓器件，控製開關的導通/關斷。它利用了數十年的產品成熟度及其近乎理想的 MOS 特性，包括完整的 5 V 閾值電壓 (V th )、卓越的 V th穩定性
、卓越的跨導提供與現有 Si 解決方案兼容的柵極驅動電壓，以及寬 ± 20V 額定值。

與反載流子遷移率較差的 SiC MOSFET 溝道不??同，Si MOSFET 的溝道電阻非常低。SiC MOSFET 中的總 R DS(on)分量主要來自漂移 (epi) 和溝道電阻 (R ch ) 的組合，隨著額定電壓的降低，前者占主導地位，使其無法在 650-到 750-V 級。在這些額定電壓下
，R ch可以超過總 R DS(on)的 50% 。

圖 2 顯示了 SiC MOSFET 和級聯 SiC FET 之間的橫截麵圖比較。與 SiC MOSFET R ch相比，級聯方法中使用的 JFET 在 p 摻雜柵極（圖 2 中以黃色顯示）之間存在一個常開通道
，它對 R DS(on)的貢獻要低得多。相比之下，級聯低壓 Si MOSFET的 R ch也低得多。

圖 2：SiC MOSFET 和 SiC 級聯 FET 橫截麵示意圖（：UnitedSiC，現為 Qorvo）

圖 3 顯示了 UnitedSiC 在650 至 750 V 範圍內對其器件與競爭對手 SiC MOSFET 的關鍵R DS(on) × A指標進行的比較。對於 750-V 共源共柵 SiC FET
，該指標在 25C 時大約低 3 倍
，在 125?C 時大約低 1.8 倍。

圖 3：SiC MOSFET (650 V) 和 750-V SiC FET 級聯R DS(on) × A比較（：UnitedSiC，現為 Qorvo）

圖 4 顯示了同一指標的更廣泛比較，其中查看了R DS(on) × A與一係列器件的額定擊穿電壓 (BV)，包括 Si 超結 MOSFET、SiC MOSFET 和氮化镓 FET . UnitedSiC 的 G4 SiC 共源共柵 FET 的性能更接近理論極限。

圖 4：R DS(on) × A指標與一係列 FET 技術中的 BV（：UnitedSiC，現為 Qorvo）

我們來看看UnitedSiC在750V電壓等級G4器件上相對於之前的第三代器件所做的一些具體改進：

電壓範圍已從 650 V 增加到 750 V
，以更好地針對 400-/500-V 總線電壓。例如，這將滿足當今常用的 1 級和 2 級 EV 充電電壓電源轉換。

改進的單元密度以及進一步的襯底減薄技術已經能夠降低關鍵的R DS(on) × A FOM。這降低了給定管芯尺寸的傳導損耗。

對於給定的 R DS(on) ，較小的裸片尺寸以及其他設計改進會導致較低的輸出電容 (C OSS )/存儲能量 (E OSS )，從而減少 HS 拓撲（例如圖騰柱 PFC）在連續導通模式下的損耗. 較低的時間相關 C OSS還可以在 LLC 等 SS 電路中實現更高頻率的操作，從而提高係統效率。

G4 器件中較低的反向恢複電荷 Q rr改善了 HS 導通損耗。

顯示了 UnitedSiC 750V、6mΩ 器件與具有相同 BV 額定值的競爭對手 SiC MOSFET 之間的參數比較。這兩款器件代表了目前市售的 R DS(on) 750-V SiC 器件。

UnitedSiC 共源共柵 SiC FET 與具有相似 R DS(on)和 BV 額定值的 SiC MOSFET 之間的參數比較

表中的綠色顯示級聯 FET 的相對優勢

，而黃色顯示劣勢。讓我們更詳細地討論這些特征：

共源共柵器件具有接近 5-VV th並允許 0- 至 12-V 柵源 (V gs ) 驅動。這使得該器件可以方便地使用任何 Si 或 SiC 柵極驅動器，同時還確保了良好的抗噪性。較低的驅動電壓和較低的柵極電荷 (Q g ) 可降低柵極驅動器損耗。

共源共柵體二極管壓降 (V f ) 的正向壓降要低得多，接近 1 V。這是第三象限中 Si MOSFET 二極管壓降和 JFET 電阻的總和。在 SiC MOSFET 中，V f的範圍為 3 至 5 V，隨著負 V gs的增加而增加，這可能是完全關閉柵極所必需的。較低的Vf可降低第三象限 HS 操作期間的死區時間損耗，並在 SS 電路中失去諧振時實現良好的性能。

在 HS 應用中，反向恢複損耗可能是總開啟損耗 (E on ) 的重要組成部分。圖 5 顯示了 UnitedSiC 完成的反向恢複波形的比較，顯示其級聯結構中的電荷 Q rr低得多。

比較共源共柵 SiC FET 和 SiC MOSFET 的反向恢複波形（：UnitedSiC
，現為 Qorvo）

在 HS 應用中，有源開關輸出電容 C OSS的放電能量 E OSS可能是 HS 期間總 E on和 E off的很大一部分
，如圖 6 所示。而 E on和 E off損耗很難比較來自不同的供應商，因為它們取決於外部條件
，如使用的柵極電阻

、電路寄生和允許的過衝，表 1 可用於得出一個廣泛的結論，即級聯 FET 中 HS 損耗的權利較低，源於較低的R DS(on) × E OSS產品。

在 EV qianyinnibianqidengdianjikongzhiyingyongzhong，duanluxingnengshifuzaikenengduanludeyingyongzhongqijianwenjianxingdezhongyaozhibiao。zhajiqudongqixuyaozaicishijianqijianxiangyingyiguanbiqudongqi FET 並防止災難性故障。FET 的短路耐受時間 (SCWT) 是衡量其承受此類高壓/大電流事件能力的指標

，大多數 SiC MOSFET 的額定短路耐受時間約為 3 s 或更短（如果有的話）。級聯結構中的 SiC JFET 在較高電流傳導下自然傾向於夾斷溝道，這會提高 SCWT 性能。

與 SiC MOSFET 中更平坦的響應相比，共源共柵 FET的 R DS(on)溫度係數更高，在統設計期間必須予以考慮。

級聯方法的另一個潛在挑戰是間接轉換率控製，因為 JFET 的柵極在當前設備中無法直接訪問。與外部柵極電阻器 (R g )的簡單調諧相比，使用小型緩衝器可以很好地管理這一點，從而降低關斷損耗
、更清晰的波形和更短的延遲時間。

UnitedSiC的低 R DS(on) G4 級聯 SiC FET 器件的優勢使其非常適用於 EV 牽引逆變器、DC/DC 轉換器、EV OBC 係統、EV 無線充電器以及 AC 和 DC 斷路器等應用。UnitedSiC（現為 Qorvo ）在此 750-V FET 係列中提供 6 mΩ 至 60 mΩ的 R DS(on)範圍



，使設計人員可以靈活地選擇更低的損耗和更高的效率或更低的成本。他們還在該 G4 係列中提供額定電壓為 1,200 V 的共源共柵器件

，可滿足使用 800 V 總線電壓的更高電壓 3 級直流快速充電要求。

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