【導(dǎo)讀】近年來(lái)隨著高性能計(jì)算需求的持續(xù)增長(zhǎng)，HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲(chǔ)器）總線接口被應(yīng)用到越來(lái)越多的芯片產(chǎn)品中，然而HBM的layout實(shí)現(xiàn)完全不同于傳統(tǒng)的Package/PCB設(shè)計(jì)，其基于2.5D interposer的設(shè)計(jì)中，由于interposer各層厚度非常薄且信號(hào)線細(xì)，使得直流損耗、容性負(fù)載、容性/感性耦合等問(wèn)題嚴(yán)重，給串?dāng)_和插損指標(biāo)帶來(lái)了非常大的挑戰(zhàn)。
碳化硅功率器件在功率轉(zhuǎn)換效率、改進(jìn)的高溫性能和使用更簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面比硅功率器件具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
在電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車(chē)載充電器 (OBC) 等一些需求旺盛的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，器件特定的導(dǎo)通電阻 ( R DS(on) × A，其中A是傳導(dǎo)面積）是影響器件電容的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù) (FOM)，從而影響硬開(kāi)關(guān) (HS) 和軟開(kāi)關(guān) (SS) 拓?fù)渲械男?。隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速充電標(biāo)準(zhǔn)向更高電壓和更高功率的方向發(fā)展，可能需要并聯(lián)多個(gè)設(shè)備，這可能導(dǎo)致在管理設(shè)備方面面臨系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)，這些設(shè)備在性能方面可能無(wú)法很好地匹配時(shí)間和溫度。因此，較低的 R DS(on)采用低熱阻封裝的器件在這些高功率應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。
UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）致力于級(jí)聯(lián) SiC FET 架構(gòu)，與更傳統(tǒng)的 SiC MOSFET 器件相比，該架構(gòu)在一些關(guān)鍵器件參數(shù)（包括R DS(on) × A ）方面顯示出多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。在本文中，我們將討論其新型第 4 代 (G4) 750 V 額定設(shè)備中的部分優(yōu)勢(shì)，并比較這兩種設(shè)備架構(gòu)。
UnitedSiC 的級(jí)聯(lián) SiC FET 由一個(gè) SiC normally on JFET 器件和一個(gè) normally off Si MOSFET 組成，如圖 1 所示。
圖 1：SiC FET 共源共柵原理圖（：UnitedSiC，現(xiàn)為 Qorvo）
Si MOSFET 是低壓器件，控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷。它利用了數(shù)十年的產(chǎn)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(wěn)定性、卓越的跨導(dǎo)提供與現(xiàn)有 Si 解決方案兼容的柵極驅(qū)動(dòng)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(lái)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(dǎo)地位，使其無(wú)法在 650-到 750-V 級(jí)。在這些額定電壓下，R ch可以超過(guò)總 R DS(on)的 50% 。
圖 2 顯示了 SiC MOSFET 和級(jí)聯(lián) SiC FET 之間的橫截面圖比較。與 SiC MOSFET R ch相比，級(jí)聯(lián)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(gè)常開(kāi)通道，它對(duì) R DS(on)的貢獻(xiàn)要低得多。相比之下，級(jí)聯(lián)低壓 Si MOSFET的 R ch也低得多。
圖 2：SiC MOSFET 和 SiC 級(jí)聯(lián) FET 橫截面示意圖（：UnitedSiC，現(xiàn)為 Qorvo）
圖 3 顯示了 UnitedSiC 在650 至 750 V 范圍內(nèi)對(duì)其器件與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 SiC MOSFET 的關(guān)鍵R DS(on) × A指標(biāo)進(jìn)行的比較。對(duì)于 750-V 共源共柵 SiC FET，該指標(biāo)在 25C 時(shí)大約低 3 倍，在 125?C 時(shí)大約低 1.8 倍。
圖 3：SiC MOSFET (650 V) 和 750-V SiC FET 級(jí)聯(lián)R DS(on) × A比較（：UnitedSiC，現(xiàn)為 Qorvo）
圖 4 顯示了同一指標(biāo)的更廣泛比較，其中查看了R DS(on) × A與一系列器件的額定擊穿電壓 (BV)，包括 Si 超結(jié) MOSFET、SiC MOSFET 和氮化鎵 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(biāo)與一系列 FET 技術(shù)中的 BV（：UnitedSiC，現(xiàn)為 Qorvo）
我們來(lái)看看UnitedSiC在750V電壓等級(jí)G4器件上相對(duì)于之前的第三代器件所做的一些具體改進(jìn)：
電壓范圍已從 650 V 增加到 750 V，以更好地針對(duì) 400-/500-V 總線電壓。例如，這將滿(mǎn)足當(dāng)今常用的 1 級(jí)和 2 級(jí) EV 充電電壓電源轉(zhuǎn)換。
改進(jìn)的單元密度以及進(jìn)一步的襯底減薄技術(shù)已經(jīng)能夠降低關(guān)鍵的R DS(on) × A FOM。這降低了給定管芯尺寸的傳導(dǎo)損耗。
對(duì)于給定的 R DS(on) ，較小的裸片尺寸以及其他設(shè)計(jì)改進(jìn)會(huì)導(dǎo)致較低的輸出電容 (C OSS )/存儲(chǔ)能量 (E OSS )，從而減少 HS 拓?fù)洌ɡ鐖D騰柱 PFC）在連續(xù)導(dǎo)通模式下的損耗. 較低的時(shí)間相關(guān) C OSS還可以在 LLC 等 SS 電路中實(shí)現(xiàn)更高頻率的操作，從而提高系統(tǒng)效率。
G4 器件中較低的反向恢復(fù)電荷 Q rr改善了 HS 導(dǎo)通損耗。
顯示了 UnitedSiC 750V、6mΩ 器件與具有相同 BV 額定值的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 SiC MOSFET 之間的參數(shù)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(shù)比較
表中的綠色顯示級(jí)聯(lián) FET 的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，而黃色顯示劣勢(shì)。讓我們更詳細(xì)地討論這些特征：
共源共柵器件具有接近 5-VV th并允許 0- 至 12-V 柵源 (V gs ) 驅(qū)動(dòng)。這使得該器件可以方便地使用任何 Si 或 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)還確保了良好的抗噪性。較低的驅(qū)動(dòng)電壓和較低的柵極電荷 (Q g ) 可降低柵極驅(qū)動(dòng)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的范圍為 3 至 5 V，隨著負(fù) V gs的增加而增加，這可能是完全關(guān)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(qū)時(shí)間損耗，并在 SS 電路中失去諧振時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的性能。
在 HS 應(yīng)用中，反向恢復(fù)損耗可能是總開(kāi)啟損耗 (E on ) 的重要組成部分。圖 5 顯示了 UnitedSiC 完成的反向恢復(fù)波形的比較，顯示其級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的電荷 Q rr低得多。
比較共源共柵 SiC FET 和 SiC MOSFET 的反向恢復(fù)波形（：UnitedSiC，現(xiàn)為 Qorvo）
在 HS 應(yīng)用中，有源開(kāi)關(guān)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(lái)自不同的供應(yīng)商，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于外部條件，如使用的柵極電阻、電路寄生和允許的過(guò)沖，表 1 可用于得出一個(gè)廣泛的結(jié)論，即級(jí)聯(lián) FET 中 HS 損耗的權(quán)利較低，源于較低的R DS(on) × E OSS產(chǎn)品。
在 EV 牽引逆變器等電機(jī)控制應(yīng)用中，短路性能是負(fù)載可能短路的應(yīng)用中器件穩(wěn)健性的重要指標(biāo)。柵極驅(qū)動(dòng)器需要在此事件期間響應(yīng)以關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器 FET 并防止災(zāi)難性故障。FET 的短路耐受時(shí)間 (SCWT) 是衡量其承受此類(lèi)高壓/大電流事件能力的指標(biāo)，大多數(shù) SiC MOSFET 的額定短路耐受時(shí)間約為 3 s 或更短（如果有的話(huà)）。級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的 SiC JFET 在較高電流傳導(dǎo)下自然傾向于夾斷溝道，這會(huì)提高 SCWT 性能。
與 SiC MOSFET 中更平坦的響應(yīng)相比，共源共柵 FET的 R DS(on)溫度系數(shù)更高，在統(tǒng)設(shè)計(jì)期間必須予以考慮。
級(jí)聯(lián)方法的另一個(gè)潛在挑戰(zhàn)是間接轉(zhuǎn)換率控制，因?yàn)?JFET 的柵極在當(dāng)前設(shè)備中無(wú)法直接訪問(wèn)。與外部柵極電阻器 (R g )的簡(jiǎn)單調(diào)諧相比，使用小型緩沖器可以很好地管理這一點(diǎn)，從而降低關(guān)斷損耗、更清晰的波形和更短的延遲時(shí)間。
UnitedSiC的低 R DS(on) G4 級(jí)聯(lián) SiC FET 器件的優(yōu)勢(shì)使其非常適用于 EV 牽引逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、EV OBC 系統(tǒng)、EV 無(wú)線充電器以及 AC 和 DC 斷路器等應(yīng)用。UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo ）在此 750-V FET 系列中提供 6 mΩ 至 60 mΩ的 R DS(on)范圍，使設(shè)計(jì)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 系列中提供額定電壓為 1,200 V 的共源共柵器件，可滿(mǎn)足使用 800 V 總線電壓的更高電壓 3 級(jí)直流快速充電要求。
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