onsemi UF4C120053B7S碳化硅共源共柵JFET深度解析

在電力電子領(lǐng)域，碳化硅（SiC）器件憑借其卓越的性能正逐漸成為主流。今天我們聚焦于 onsemi 的 UF4C120053B7S，一款 1200V、53mΩ 的 G4 SiC FET，深入探討其特性、參數(shù)及應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

UF4C120053B7S 采用獨(dú)特的“共源共柵”電路配置，將常開(kāi)型 SiC JFET 與 Si MOSFET 封裝在一起，形成常閉型 SiC FET 器件。這種設(shè)計(jì)使得該器件具備標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動(dòng)特性，在替換 Si IGBT、Si 超結(jié)器件或 SiC MOSFET 時(shí)，只需進(jìn)行最小限度的重新設(shè)計(jì)，就能使用現(xiàn)成的柵極驅(qū)動(dòng)器。它采用節(jié)省空間的 TO - 263 - 7 封裝，便于自動(dòng)化組裝，并且具有超低柵極電荷和出色的反向恢復(fù)特性，非常適合用于開(kāi)關(guān)感性負(fù)載以及任何需要標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。

二、產(chǎn)品特性

1. 低導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通電阻 (R{DS(on)}) 典型值為 53mΩ，有助于降低導(dǎo)通損耗，提高系統(tǒng)效率。在不同溫度下，導(dǎo)通電阻會(huì)有所變化，例如在 (T{J}=125^{circ}C) 時(shí)，(R{DS(on)}) 典型值為 112mΩ；在 (T{J}=175^{circ}C) 時(shí)，典型值為 159mΩ。

2. 寬工作溫度范圍

最大工作溫度可達(dá) 175°C，能適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境，保證了產(chǎn)品在高溫條件下的可靠性。

3. 優(yōu)秀的反向恢復(fù)特性

反向恢復(fù)電荷 (Q{rr}=98nC)，反向恢復(fù)時(shí)間 (t{rr}) 在不同條件下有不同表現(xiàn)，如在 (T{J}=25^{circ}C) 時(shí)為 15.2ns，在 (T{J}=150^{circ}C) 時(shí)為 19.6ns。這使得器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中能快速恢復(fù)，減少開(kāi)關(guān)損耗。

4. 低體二極管正向壓降

體二極管正向壓降 (V_{FSD}) 為 1.28V，降低了二極管導(dǎo)通時(shí)的功率損耗。

5. 低柵極電荷

柵極電荷 (Q_{G}=37.8nC)，可以減少柵極驅(qū)動(dòng)所需的能量，降低驅(qū)動(dòng)電路的功耗。

6. 閾值電壓與驅(qū)動(dòng)范圍

閾值電壓 (V_{G(th)}) 典型值為 4.8V，允許 0 至 15V 的驅(qū)動(dòng)電壓，方便與常見(jiàn)的柵極驅(qū)動(dòng)器匹配。

7. 低固有電容

具有低的輸入電容 (C{iss})、輸出電容 (C{oss}) 和反向傳輸電容 (C_{rss})，有助于提高開(kāi)關(guān)速度和降低開(kāi)關(guān)損耗。

8. ESD 保護(hù)

具備 HBM 2 類(lèi)和 CDM C3 類(lèi) ESD 保護(hù)，增強(qiáng)了器件的抗靜電能力，提高了產(chǎn)品的可靠性。

9. 環(huán)保特性

該器件無(wú)鉛、無(wú)鹵素，符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)，滿足環(huán)保要求。

三、主要參數(shù)

1. 最大額定值

注：

1. 受 (T_{J, max}) 限制。
2. 脈沖寬度 (t{p}) 受 (T{J, max}) 限制，起始 (T_{J}=25^{circ}C)。

2. 熱特性

熱阻，結(jié)到殼 (R_{JC}) 典型值為 0.46°C/W，最大值為 0.60°C/W。

3. 電氣特性

靜態(tài)特性

• 漏源擊穿電壓 (BV{DS})：在 (V{GS}=0V)，(I_{D}=1mA) 時(shí)，最小值為 1200V。
• 總漏極泄漏電流 (I{DSS})：在 (V{DS}=1200V)，(V{GS}=0V)，(T{J}=25^{circ}C) 時(shí)，典型值為 0.2μA；在 (T_{J}=175^{circ}C) 時(shí)，典型值為 15μA。
• 總柵極泄漏電流 (I{GS})：在 (V{DS}=0V)，(T{J}=25^{circ}C)，(V{GS}=-20V/+20V) 時(shí)，典型值為 6μA，最大值為 20μA。
• 柵極電阻 (R_{G})：在 f = 1MHz，漏極開(kāi)路時(shí)，典型值為 4.5Ω。

反向二極管特性

• 二極管連續(xù)正向電流 (I{S})：在 (T{C}=25^{circ}C) 時(shí)，典型值為 34A。
• 二極管脈沖電流 (I{S, pulse})：在 (T{C}=25^{circ}C) 時(shí)，典型值為 100A。
• 正向電壓 (V{FSD})：在 (I{S}=10A)，(T{J}=25^{circ}C)，(V{GS}=0V) 時(shí)，典型值為 1.28V；在 (T_{J}=175^{circ}C) 時(shí)，典型值為 1.96V。
• 反向恢復(fù)電荷 (Q{rr})：在 (V{DS}=800V)，(I{S}=25A)，(V{GS}=-5V)，(R{G}=20Ω)，(di/dt = 1600A/μs)，(T{J}=25^{circ}C) 時(shí)，典型值為 98nC；在 (T_{J}=150^{circ}C) 時(shí)，典型值為 105nC。
• 反向恢復(fù)時(shí)間 (t{rr})：在 (T{J}=25^{circ}C) 時(shí)為 15.2ns，在 (T_{J}=150^{circ}C) 時(shí)為 19.6ns。

動(dòng)態(tài)特性

• 輸入電容 (C{iss})：在 (V{DS}=800V)，(V_{GS}=0V)，f = 100kHz 時(shí)，典型值為 1370pF。
• 輸出電容 (C_{oss})：典型值為 43.5pF。
• 反向傳輸電容 (C_{rss})：典型值為 2.2pF。
• 有效輸出電容（能量相關(guān)）(C{oss(er)})：在 (V{DS}=0V) 至 800V，(V_{GS}=0V) 時(shí)，典型值為 54pF。
• 有效輸出電容（時(shí)間相關(guān)）(C_{oss(tr)})：典型值為 100pF。
• (C{oss}) 存儲(chǔ)能量 (E{oss})：在 (V{DS}=800V)，(V{GS}=0V) 時(shí)，典型值為 17.3μJ。
• 總柵極電荷 (Q{G})：在 (V{DS}=800V)，(I{D}=25A)，(V{GS}=0V) 至 15V 時(shí)，典型值為 37.8nC。
• 柵漏電荷 (Q_{GD})：典型值為 9.5nC。
• 柵源電荷 (Q_{GS})：典型值為 10nC。

開(kāi)關(guān)時(shí)間和能量方面，在不同溫度和測(cè)試條件下有相應(yīng)的參數(shù)，如在 (T{J}=25^{circ}C) 時(shí)，開(kāi)通延遲時(shí)間 (t{d(on)}) 典型值為 20ns，上升時(shí)間 (t{r}) 典型值為 32ns 等；在 (T{J}=150^{circ}C) 時(shí)，開(kāi)通延遲時(shí)間 (t{d(on)}) 典型值為 24ns，上升時(shí)間 (t{r}) 典型值為 33ns 等。

四、典型應(yīng)用

1. 電動(dòng)汽車(chē)充電

在電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中，UF4C120053B7S 的低導(dǎo)通電阻和優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)特性可以降低充電過(guò)程中的能量損耗，提高充電效率。同時(shí)，其高工作溫度范圍和良好的可靠性也能適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)復(fù)雜的工作環(huán)境。

2. 光伏逆變器

光伏逆變器需要高效的功率轉(zhuǎn)換，該器件的低損耗特性有助于提高逆變器的整體效率，將太陽(yáng)能更有效地轉(zhuǎn)換為電能并入電網(wǎng)。

3. 開(kāi)關(guān)模式電源和功率因數(shù)校正模塊

在開(kāi)關(guān)模式電源中，UF4C120053B7S 能夠快速開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)損耗，提高電源的效率和穩(wěn)定性。在功率因數(shù)校正模塊中，它可以改善功率因數(shù)，減少諧波失真。

4. 感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱系統(tǒng)需要高頻開(kāi)關(guān)，該器件的高速開(kāi)關(guān)特性和低損耗能夠滿足感應(yīng)加熱的需求，提高加熱效率和控制精度。

五、設(shè)計(jì)建議

1. PCB 布局

由于 SiC FET 具有較高的 dv/dt 和 di/dt 速率，為了減少電路寄生參數(shù)的影響，強(qiáng)烈建議進(jìn)行合理的 PCB 布局設(shè)計(jì)。盡量縮短?hào)艠O和漏極的走線長(zhǎng)度，減小寄生電感和電容。

2. 外部柵極電阻

當(dāng) FET 在二極管模式下工作時(shí)，建議使用外部柵極電阻，以實(shí)現(xiàn)最佳的反向恢復(fù)性能。

3. 緩沖電路

使用具有小 (R{(G)}) 的緩沖電路可以提供更好的 EMI 抑制效果，同時(shí)提高效率。與使用高 (R{(G)}) 值相比，小 (R{(G)}) 能更好地控制關(guān)斷時(shí)的 (V{(DS)}) 峰值尖峰和振鈴持續(xù)時(shí)間，并且總開(kāi)關(guān)損耗更小，在中到滿載范圍內(nèi)能顯著降低 (E{(OFF)})，僅使 (E{(ON)}) 有小幅度增加，從而提高系統(tǒng)效率。

六、總結(jié)

onsemi 的 UF4C120053B7S 碳化硅共源共柵 JFET 以其出色的性能和特性，在多個(gè)電力電子應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，可以充分利用其低導(dǎo)通電阻、優(yōu)秀的反向恢復(fù)特性和寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)注意 PCB 布局和外部元件的選擇，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)行。你在實(shí)際應(yīng)用中是否使用過(guò)類(lèi)似的 SiC 器件？遇到過(guò)哪些問(wèn)題和挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。