本教程聚焦SiC JFET 在固態(tài)斷路器中的應(yīng)用，核心內(nèi)容包括三大板塊，闡釋 SiC JFET 的關(guān)鍵特性、系統(tǒng)說(shuō)明 SiC JFET 如何推動(dòng)電路保護(hù)系統(tǒng)取得重大進(jìn)步、通過評(píng)估和測(cè)試結(jié)果展示產(chǎn)品性能。我們已介紹過浪涌電流、應(yīng)對(duì)不斷攀升的電力需求、為什么要使用固態(tài)斷路器。本文為系列教程的第二部分，將介紹SSCB 采用 SiC JFET 的四個(gè)理由。

斷路器制造商首要關(guān)注的是發(fā)熱問題。 所有半導(dǎo)體在電流流過其中時(shí)都會(huì)產(chǎn)生熱量。 這種熱量可以用導(dǎo)通電阻來(lái)衡量， 其表示符號(hào)為 RDS(on) 。

當(dāng)然， 制造商和工程師都希望 RDS(on) 盡可能小。 同時(shí)， 極低導(dǎo)通電阻這一特性也直接支撐著基于 JFET 的 SSCB 的另外三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

尺寸極小

可靠性

易于使用

理由 1：運(yùn)行溫度極低

EMB 與許多其他斷路器共用一個(gè)面板。 鑒于眾多元件必須擠在斷路器的局促空間中， 可用于散熱的空間極為有限。 因此， EMB 制造商最關(guān)心的自然是發(fā)熱問題。

先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)對(duì)于解決這一問題至關(guān)重要 ， 因?yàn)榻档?a target="_blank">電阻可以直接減少熱量的累積。 安森美(onsemi)的 JFET 和 Combo JFET TOLL 封裝可使小型元件實(shí)現(xiàn)盡可能低的導(dǎo)通電阻 (RDS(on) )。

在下面的比較圖中， 安森美 EliteSiC 封裝的導(dǎo)通電阻不到相同 TOLL 封裝的最接近競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的一半。 此特性為固態(tài)斷路器制造商帶來(lái)了巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

極低的導(dǎo)通電阻

下圖所示為未施加電壓的安森美 SiC JFET 的橫截面。 這里， 三個(gè)端子分別被標(biāo)記為源極、 柵極和漏極。 有兩個(gè)二極管， 每個(gè)二極管都有相應(yīng)的電容：柵極和漂移區(qū) PN 結(jié)處的漏柵二極管， 以及由 JFET 柵極偏置的柵源二極管。 每個(gè)溝道和柵極區(qū)構(gòu)成一個(gè)單元， 單個(gè) JFET 中存在數(shù)千個(gè)并聯(lián)的單元。

注意漏極-柵極 PN 結(jié)周圍的耗盡區(qū)。 由于缺乏移動(dòng)載流子， 該區(qū)域呈現(xiàn)高電阻特性。 此時(shí)未施加電壓， 該 JFET 處于未偏置狀態(tài)。 在這種狀態(tài)下， 耗盡區(qū)足夠小， 允許電子沿著開放溝道的直接路徑在源極和漏極端子之間自由流動(dòng) 。 無(wú)PN 結(jié)或二極管擋在電流路徑上， 且沒有表面電流。 因此， 安森美 SiC JFET 被稱為常開型。

這里的電流路徑流經(jīng)高導(dǎo)電性的 SiC 材料。 這使得 JFET 在給定電壓額定值下具有極低的導(dǎo)通電阻。

將正電壓 VDS 施加于漏極至源極時(shí)， 漏柵 PN 結(jié)反向偏置， 使耗盡區(qū)擴(kuò)大。 如果 VDS 繼續(xù)提高， 溝道會(huì)變得更狹窄。 最終耗盡區(qū)將填滿溝道， 導(dǎo)致飽和。

接下來(lái)， 如果將正電壓VGS施加到柵極驅(qū)動(dòng)器， 結(jié)果將是漏極-柵極和柵極-源極 PN 結(jié)正向偏置， 導(dǎo)致耗盡區(qū)縮小。 根據(jù)工作條件， 施加正VGS 是將導(dǎo)通電阻降低約 15% 的最簡(jiǎn)單方法， 無(wú)需添加殊電路。 當(dāng)首要目標(biāo)是盡量降低導(dǎo)通損耗時(shí)， 這 15% 的減少是 SiC JFET 的一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)。 將柵源電壓拉至負(fù)值會(huì)關(guān)斷 JFET 。

安森美通過引入碳化硅材料 ， 開發(fā)出一種專有晶圓減薄 方法 ， 從而使EliteSiC JFET 尺寸更小、 發(fā)熱更低。

在半導(dǎo)體晶圓制造過程中， 晶圓在薄膜沉積期間往往會(huì)發(fā)生一定程度的翹曲。 薄膜本身的內(nèi)應(yīng)力， 加上薄膜和襯底之間的熱膨脹系數(shù) (CTE) 不一致，使得一定程度的翹曲幾乎難以避免 。 在減薄( 背面研磨) 過程中， 翹曲現(xiàn)象往往會(huì)加劇。

安森美開發(fā)了一種模擬晶圓上導(dǎo)致翹曲的內(nèi)應(yīng)力的方法 。 這使得工程師能夠改進(jìn)晶圓減薄工藝， 以盡量降低翹曲的影響。

理由 2：封裝尺寸極小

常通型 JFET 的應(yīng)用包括防雷保護(hù)、 限制浪涌電流、 取代 EMB 等。 然而， 大多數(shù)應(yīng)用都要求斷路器為常斷型。

實(shí)現(xiàn)這種斷路器的一種方法是將 SiC JFET 與低額定電壓的常關(guān)型 Si MOSFET串聯(lián)連接， 然后將 JFET 柵極連接至 MOSFET 源極。 在下圖中， 對(duì)于變壓器等開關(guān)模式應(yīng)用所采用的標(biāo)準(zhǔn)共源共柵配置 ， 連接通過直接短路實(shí)現(xiàn)。 如果 JFET柵極直接與 MOSFET 源極相連， 則開關(guān)速度至少比斷路器和繼電器所能承受的速度快 50 倍。 試圖減慢如此高的開關(guān)速度是不切實(shí)際的。

另一種方法是引出 SiC JFET 的柵極， 然后與 Si MOSFET 串聯(lián)連接。 這樣一來(lái)，用戶就可以選擇 JFET 柵極和 MOSFET 源極之間的電阻或阻抗。 可以選用一個(gè)簡(jiǎn)單電阻或一個(gè)齊納二極管， 使電流反向流動(dòng)。

第二種方法可能是一種實(shí)用的解決方案， 特別是因?yàn)?JFET 和 MOSFET 元件成本非常低， 不過由于需要兩個(gè)元件， 斷路器將會(huì)占用更多空間 。 還有一種更好的解決方案。

安森美的解決方案是堆疊芯片。 EliteSiC Combo JFET 將常開型 SiC JFET 與常關(guān)型 Si MOSFET 串聯(lián)連接。 但是， JFET 柵極和 MOSFET 柵極均被引出到封裝外部，而不是將柵極連接到封裝內(nèi)部的源極 。 這使得用戶能夠以適合應(yīng)用的任何方式連接封裝。

如下圖所示 ， 藍(lán)色 SiC JFET 芯片通過銀焊與封裝的銅底座中心連接 。 黃色 Si MOSFET 芯片居中置于 JFET 芯片的上方。 每個(gè)芯片的柵極均通過單獨(dú)的引腳分別引出。

減少空間消耗的另一種方法是盡量減少并聯(lián)使用的元件數(shù)量。假設(shè)要制作一個(gè) 240 V 交流斷路器， 其額定電流為 20 A， 能夠承受 1.2 倍過載 2小時(shí)。 應(yīng)用經(jīng)典焦耳加熱公式 P = i2R 來(lái)計(jì)算功率耗散， 總熱量預(yù)算可表示如下：

同樣， 關(guān)鍵因素是所需的RDS(on)。 假設(shè)工作溫度保持在 100 °C， 導(dǎo)通電阻自然會(huì)隨著溫度成比例增加。將等式兩邊除以電流的平方， 即可得出所需的導(dǎo)通電阻：

資料來(lái)源： Schneider Electric

安森美的 UG 4SC 075005 L 8S 750 VAC Combo JFET 在 150 °C 時(shí)提供 7.8 mΩ的導(dǎo)通電阻， 低于該元件有效阻斷交流電流所需的 8.7 mΩ。

為了滿足導(dǎo)通電阻目標(biāo)并使導(dǎo)通損耗加倍， 兩個(gè) Combo JFET 需要背靠背或串聯(lián)連接， 源極并聯(lián)連接。 Combo JFET 數(shù)量加倍會(huì)使斷路器中用于阻斷電流的內(nèi)部元件數(shù)量達(dá)到 4 個(gè)( Combo JFET 算作兩個(gè)元件) 。

如果選擇競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供的同類 TOLL 封裝元件， 要滿足導(dǎo)通電阻要求， 元件數(shù)量最低的方案也需要 5 個(gè)并聯(lián) JFET ( 其在 100 °C 時(shí)的額定電阻為 21 mΩ) ，總計(jì) 10 個(gè)元件。

片上溫度感測(cè)： JFET 或 Combo JFET

SiC JFET 有一個(gè)常被忽視的優(yōu)點(diǎn)， 即它能夠感知自身的溫度。 當(dāng)柵極被驅(qū)動(dòng)為略正( “ 過驅(qū)” ) 時(shí)， 會(huì)注入一個(gè)非常小( 1 - 5 mA 范圍) 、 絕對(duì)安全的電流。 這個(gè)小電流使得 VGS為正， 并以高度可預(yù)測(cè)的方式隨溫度變化。 通過測(cè)量 VGS 的壓降，便可使用公式推導(dǎo)出 JFET 芯片的溫度。

上面的溫度感測(cè)驅(qū)動(dòng)電路示意圖包含兩個(gè)差分放大器 ( diff -amp ) ， 每個(gè)放大器測(cè)量 JFET 至 MOSFET 源極電壓。 SiC JFET 和 Si MOSFET 均采用串聯(lián)復(fù)制， 并以背靠背方式鏡像排列， 用于阻斷交流電流。 單個(gè)基準(zhǔn)電壓連接到共源點(diǎn)， 差分放大器從該電壓中減去各自的 VGS。 當(dāng)電流接通時(shí) ， 電流從 AC 1 流向 AC 2， 使得每個(gè)MOSFET 兩端出現(xiàn)壓降。

為了得出芯片溫度，需要測(cè)量從每個(gè) JFET 的柵極到其共源點(diǎn)的電壓。兩個(gè)差分放大器的輸出表示為:

較為準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)是取 Tsense 1 和 Tsense 2 的平均值， 即將這兩個(gè)值相加再除以 2。

成對(duì)使用的差分放大器常用于對(duì)噪聲進(jìn)行等量反相放大 ， 使正負(fù)噪聲疊加后相互抵消 。 這里， 我們正是利用了這一技術(shù) ，通過成對(duì)的差分放大器， 使兩個(gè)壓降值 |VDS,MOSFET |相互抵消。 剩下的是一個(gè)簡(jiǎn)化公式， 其中溫度等于增益乘以基準(zhǔn)電壓與兩個(gè) JFET 的平均柵源電壓之差。

僅需約 1 mA 的柵極電流就足以降低導(dǎo)通電阻。 雖然用如此低的柵極電流來(lái)感測(cè)溫度確實(shí)可行， 但 5 - 10 mA 范圍內(nèi)的電流更不容易受到噪聲的影響。

電流感測(cè)： JFET 或 Combo JFET

同樣精巧的技術(shù)也可應(yīng)用于 JFET 或 Combo JFET 來(lái)測(cè)量電流。 該方法需要兩個(gè)相同的二極管 D1 和 D2， 它們與 Combo JFET 的漏極串聯(lián)連接， 能夠阻斷高電壓。 將柵極驅(qū)動(dòng)器與 DESAT ( 去飽和) 引腳結(jié)合使用時(shí)， 可通過這兩個(gè)二極管提供 mA 至 μA范圍的小電流。 或者， 也可從柵極驅(qū)動(dòng)電源通過一個(gè)電阻提供小電流。

無(wú)論哪種情況， 都需要箝位二極管 D1， 并在其上使用一個(gè)放大器 ， 以測(cè)量該二極管兩端的電壓降 。 此壓降代表 JFET 的 VDS。 知道芯片溫度便可輕松估算RDS(on) ， 進(jìn)而可利用歐姆定律來(lái)估算漏極電流， 而無(wú)需使用額外的傳感器：

補(bǔ)償溫度效應(yīng)

知道芯片溫度和漏極電流后， 就能開發(fā)出對(duì)過流狀況立即做出響應(yīng)的溫度補(bǔ)償器。 Combo JFET 的導(dǎo)通電阻 RDS(on) 隨溫度升高而增加， 表現(xiàn)出正溫度系數(shù)特性。 在給定電流下， 隨著溫度升高， VDS 提高， VGS降低。

將這兩個(gè)值合并后輸入快速過流模擬比較器 ， 便可使這兩個(gè)電壓相互抵消 ，從而消除溫度影響。比較器將 VDS 與動(dòng)作電壓進(jìn)行比較， 從而實(shí)現(xiàn)有效的溫度補(bǔ)償。 受限于 RDS(on)與 Tsense,ave之間的非線性關(guān)系， 補(bǔ)償效果略有減弱。 然而， 在典型工作溫度范圍內(nèi)， 這種補(bǔ)償完全足夠， 因此無(wú)需使用微控制器或狀態(tài)機(jī)以數(shù)字方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償調(diào)整。

可能需要額外的電路來(lái)應(yīng)對(duì) JFET 關(guān)斷和重新導(dǎo)通方面的問題， 包括處理消隱時(shí)間和復(fù)位比較器的輸入電壓。

理由 3：可靠性

碳化硅 JFET 天然具備高脈沖電流能力 。 下圖展示了未箝位感性開關(guān)設(shè)置的開關(guān)導(dǎo)通事件， 其中電源電壓由電纜電感供應(yīng)給 Combo JFET 中使用的相同 4.3 mΩ JFET 。 其峰值脈沖電流 IDM 額定值為 588 A， 該圖顯示其在 600 A 時(shí)切換， 斜坡時(shí)間約為 24 ms 。 電感中儲(chǔ)存的能量部分被 JFET 吸收， 其余由并聯(lián)的金屬氧化物壓敏電阻箝位。 漏源電壓 VDS 在被箝位之前上升至接近 600 V。 這證明 SiC JFET 具有高峰值電流能力。 這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)， 尤其是在斷路器應(yīng)用中， 因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中， 不可避免地需要切換非常高的峰值電流( 遠(yuǎn)高于標(biāo)稱電流)。

電壓額定值與電壓裕度

考慮斷路器時(shí)， 無(wú)論是固態(tài)斷路器還是機(jī)電式斷路器， 電壓裕度都是最重要的考量因素之一。 這與電壓額定值不同。 住宅和輕型商業(yè)應(yīng)用的通用輸入電壓范圍為 85 至 265 VAC， 峰值電壓為該范圍的最大值乘以 √2， 即 375 VAC。

電壓額定值為 400 VAC 的斷路器無(wú)法提供所需的電壓裕度。 原因是從供電端到用電設(shè)備接線點(diǎn)的電纜中， 以及從用電設(shè)備接線點(diǎn)到斷路器的電線中 ， 都會(huì)儲(chǔ)存能量。

當(dāng)發(fā)生涉及非常高電流的故障情況時(shí) ， 通向斷路器的電纜和電線中儲(chǔ)存的能量可能非常高。 如果電流斷路器在此類情況下關(guān)斷 ， 那么所有這些能量必須轉(zhuǎn)移到某個(gè)地方。

使用 SiC JFET 時(shí)， 需要將盡可能多的這種電流轉(zhuǎn)儲(chǔ)到該芯片中。 但它本身只能處理有限的能量， 肯定無(wú)法處理電纜和電線中儲(chǔ)存的所有能量 。 為了處理額外的能量， 需要添加并聯(lián)金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 或瞬態(tài)電壓抑制器(TVS) 。

下圖是常見壓敏電阻的典型電壓 -電流特性曲線 。 在標(biāo)稱直流電網(wǎng)電壓VDC 下， 壓敏電阻的正常工作區(qū)是左下角的紅色區(qū)域。 綠色區(qū)域表示漏電流區(qū)， 以 V1mA 和 1 mA 的壓敏電流為界。

壓敏電阻在灰色區(qū)域所表示的瞬態(tài)工作區(qū)開始履行其保護(hù)電路的職能 。峰值電流 Ipk 與箝位電壓 VCL 相交的位置， 是紫色區(qū)域所表示的浪涌電流區(qū)的起點(diǎn)。 這個(gè)相交點(diǎn)至關(guān)重要 ， 因?yàn)榇藭r(shí)的過電壓不能太高 ， 以免損壞斷路器。

根據(jù)安森美的經(jīng)驗(yàn)， MOV 的特性曲線比該圖所示更加圓潤(rùn)， 意味著它通常需要更多時(shí)間才能激活。 當(dāng)峰值電流較高時(shí)， MOV 兩端也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的高電壓。 SSCB 中使用的 JFET 必須具有足夠高的電壓額定值， 以確保當(dāng)電壓處于正常工作范圍時(shí)， MOV 的漏電流不會(huì)過大。

資料來(lái)源： IEEE

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所有集成電路都具有設(shè)計(jì)規(guī)定的工作電壓和電流范圍 。 正常工作范圍以上有安全過壓區(qū)， 電路在此區(qū)域內(nèi)不會(huì)受到損壞 。 當(dāng)電壓高于安全過壓范圍時(shí) ， 電路可能仍能短暫地承受更高的電壓 。 TVS 是一種雪崩二極管， 用于箝位過電壓和消散高瞬態(tài)電涌。 TVS 要發(fā)揮作用， 必須在受保護(hù)電路的安全過壓區(qū)內(nèi)工作 ，防止電壓進(jìn)入器件損壞區(qū) ( 下圖的紅色區(qū)域 ) 。 同時(shí)， 一旦電壓恢復(fù)到正常工作范圍( 藍(lán)色區(qū)域) ， 它也不能影響系統(tǒng)性能。

與反向突波保護(hù)器件不同， TVS 在達(dá)到導(dǎo)通電壓之前具有高電阻 ， 而超過導(dǎo)通電壓之后電阻會(huì)急劇下降 。 對(duì)于電壓箝位器件 ， 導(dǎo)通電壓必須高于系統(tǒng)的正常工作電壓， 同時(shí)又足夠低， 以確保箝位電壓遠(yuǎn)低于損壞電壓范圍 。 導(dǎo)通電阻也必須極低， 以確保在各種威脅情況下保持較低箝位電壓。

此外， 宇宙輻射也是一個(gè)不容小覷的因素。 當(dāng)施加于 JFET 的電壓接近其擊穿電壓時(shí)， 其電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇上升 。 隨著場(chǎng)強(qiáng)的升高 ， 器件失效的概率取決于其在設(shè)計(jì)上如何處理阻斷電壓 。 當(dāng)施加的電壓超過擊穿電壓時(shí) ， 由完全不可預(yù)測(cè)的宇宙射線事件引起的單粒子燒毀 (SEB) 的概率呈指數(shù)級(jí)上升。出于這些原因， 安森美設(shè)計(jì)的 JFET 和 Combo JFET 元件具有 750 V 電壓額定值。

這不僅提高了其可靠性， 而且使其更容易在采用低成本箝位器件( 如 TVS 或 MOV)的斷路器設(shè)計(jì)中使用 。 在過載條件下 ， 尤其是在電壓過沖情況下 ( 即在電源轉(zhuǎn)換事件期間， 輸出電壓超過預(yù)期的穩(wěn)態(tài)電壓設(shè)置值 ) ， 這種高電壓額定值可提供更高的安全裕度。

理由 4：易于使用

如右側(cè)的電路圖所示， 只需使用低成本的現(xiàn)成元件， 便可輕松驅(qū)動(dòng) SSCB 中使用的Combo JFET 封裝中的 JFET 和 MOSFET 。 該電路顯示兩個(gè) Combo JFET 背靠背連接， 其源極連接在一起， 并有一個(gè)共源點(diǎn)。 以這種方式連接時(shí)， 這兩個(gè)元件可以阻斷交流電流。

通過這種設(shè)計(jì)， 可以使用一個(gè) IGBT 直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè) Combo JFET 的柵極， 提供電壓和電流去飽和保護(hù)。 當(dāng)該電路接通時(shí)， 過驅(qū)電阻 R_ODV 便開始發(fā)揮作用， 限制流入每個(gè) JFET 柵極的電流。 開關(guān)導(dǎo)通速度可能很慢， 不過這對(duì)于斷路器來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 接下來(lái)， JFET 基于其溫度來(lái)設(shè)置自己的 VGS。

設(shè)置關(guān)斷狀態(tài)是通過調(diào)整 JFET 柵極電阻實(shí)現(xiàn)的。 這種方式可提供出色的速度控制， 因?yàn)樗休敵鲭娙蓦姾啥冀?jīng)過該電阻。

MOSFET 可以由如圖所示的電壓監(jiān)控器驅(qū)動(dòng) ， 或者由單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 。一旦柵極驅(qū)動(dòng)功率逐漸上升 ， MOSFET 就會(huì)導(dǎo)通并保持導(dǎo)通狀態(tài)。 由于保持導(dǎo)通狀態(tài)， MOSFET 不會(huì)受到壓力， 發(fā)生雪崩的可能性也不會(huì)增加 。 此后， 開關(guān)操作由 JFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)控制， 開關(guān)速度則通過調(diào)整柵極電阻來(lái)控制。 所有開關(guān)能量都進(jìn)入 SiC JFET ， 這正是我們所希望的。

通過這種設(shè)計(jì) ， 電路可以在緊急情況下接通和關(guān)斷 ， 就像在正常運(yùn)行情況下接通和關(guān)斷一樣。 還可以通過脈沖控制電路， 以限制電容充電時(shí)的浪涌電流。

未完待續(xù)。