寬帶隙器件的優(yōu),、缺點
幾乎沒有必要用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)來描述寬帶隙（WBG）器件的質(zhì)量,，因為單從這些器件標(biāo)注的名稱已經(jīng)足以保證極高的功率密度和匹配效率,，最近的一個例證是“小盒子挑戰(zhàn)”,，它將特定轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)功率密度提高了三倍,。在實際系統(tǒng)中,，設(shè)計人員需要通常由SiC MOSFET和增強型GaN（e-GaN）HEMT單元提供的OFF開關(guān),，但它們并不十全十美,，都有自己的局限性和缺陷,。這兩種類型的器件都需要非常特殊的柵極驅(qū)動電壓。SiC MOSFET具有相對較差的體二極管,，而GaN器件則沒有經(jīng)典的體二極管,，且沒有雪崩電壓特性。在“斬波器”,、半橋和“圖騰柱”功率因數(shù)（PFC）級等許多實際應(yīng)用中,，需要體二極管或其他類似的器件。為了顯著提高效率,，SiC-MOSFET和GaN HEMT需要并聯(lián)一個高性能二極管,，增加了總體成本和復(fù)雜性。
SiC共源共柵：一個古老技術(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用
20世紀30年代,，人們將真空管串聯(lián)起來,，從而形成性能比任何一個單獨部件都好的混合器件。為了充分利用寬帶隙技術(shù),，現(xiàn)代制造商們把這種古老想法進行了重新設(shè)計,，該技術(shù)被命名為“共源共柵極”，并在過去幾年來以BJT和MOSFET形式重新出現(xiàn)在市場,。
在寬帶隙的實施中,，共源共柵是指一個Si-MOSFET和通常為導(dǎo)通 SiC-JFET（ON SiC-JFET）器件的串聯(lián)連接（如圖1所示）。當(dāng)柵極處于高電平時,，MOSFET導(dǎo)通,，使JFET柵極 - 源極短路，強制其導(dǎo)通,。當(dāng)MOSFET柵極為低電平時,，其漏極電壓上升，直到JFET柵極 - 源極電壓達到約-7V,，將其關(guān)斷,，因而在MOSFET漏極上加有約7-10V的電壓,。混合電路正常關(guān)斷,，柵極驅(qū)動電壓現(xiàn)在不是關(guān)鍵指標(biāo),，MOSFET反向恢復(fù)電荷很低，電壓降低,，其體二極管變快,。這些屬性源于MOSFET是一種低電壓型器件，針對應(yīng)用進行了優(yōu)化,，并通常與SiC晶片共用封裝,。
圖1：Si-MOSFET和SiC-JFET的共源共柵排列。
共源共柵現(xiàn)在可以作為SiC-MOSFET和GaN HEMT的一個具有非常大吸引力的替代品,，并且能夠很容易地用于目前正在使用Si-MOSFET和IGBT的傳統(tǒng)設(shè)計,。圖表2給出了典型的650V共源共柵器件與其他寬帶隙器件和超級結(jié)Si-MOSFET的比較。
圖表2：SiC共源共柵與其他WBG器件和超級結(jié)MOSFET的比較,。
其中一個最重要的參數(shù)是RDSA,，意味著非常小的晶片尺寸，其他都基本相同,。 這反過來導(dǎo)致低“米勒”輸入和輸出電容COSS,，從而具有低開關(guān)損耗EOSS，以及一流的整體損耗品質(zhì)因數(shù)RDS * EOSS,。在具備自然鉗位效應(yīng)的雪崩條件下,，共源共柵有良好的性能表現(xiàn)，而GaN器件由于沒有標(biāo)稱雪崩則不然,。共源共柵器件由于具有高飽和電流,，可以針對通道產(chǎn)生“夾止效應(yīng)（pinching off）”，因而能夠很好地處理4μs或以上的瞬間短路,。導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)也很有幫助,。與其他器件不同，飽和電流不依賴于柵極驅(qū)動電壓,，并且在升高到大約8V的VGS下依然能夠保持基本恒定,。
盡管晶片尺寸較小，但熱傳導(dǎo)效率仍然很高,，SiC的熱傳導(dǎo)率比GaN,、Si以及有高TJ(MAX)值的典型WBG器件高三倍。
共源共柵器件允許的±25V柵極驅(qū)動電壓寬幅變化意味著其與用Si或SiC MOSFET設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)能夠直接兼容,，所以在這些系統(tǒng)中可以用共源共柵器件代替原來的器件。即使是變化范圍典型值為+ 15 / -9V的IGBT柵極驅(qū)動也會很輕松地驅(qū)動共源共柵,，因而可以更新原來的舊開關(guān)技術(shù)以獲得更好性能,，或者在舊器件過期的時候加以更換,。一個電池充電器制造商的案例研究表明，用共源共柵器件替代IGBT可以在10kW級別節(jié)省1.5％的效率,，并可提高30％的功率輸出[1],。如果柵極電壓擺幅調(diào)整到較低水平，共源共柵器件柵極電荷明顯少于IGBT,，而且柵極驅(qū)動功率要求也大大降低,。
共源共柵器件可以使用熟悉的TO-247封裝，因此物理上可以插入IGBT或Si / SiC-MOSFET器件的插座,，但對柵極驅(qū)動電路做微小改變可使該解決方案更加優(yōu)化,。圖3所示的典型電路具有獨立的R（ON）和R（OFF）值，可以有效控制dV/dt和di/dt水平,，鐵氧體磁珠根據(jù)布局需要來實施阻尼振蕩,。由于實際上并不存在米勒電容，所以不需要柵極負驅(qū)動電壓,，以防止電流從漏極dV / dt注入柵極,，從而引起虛假導(dǎo)通。無論如何,，如同任何開關(guān)型器件一樣,，在柵極周圍的布局應(yīng)該遵循所示的良好規(guī)范，以使源極連接中的電感最小化,，這種連接可能將電壓瞬態(tài)從溝道di/dt耦合到柵極,。
圖3：典型的SiC共源共柵柵極驅(qū)動。