碳化硅（SiC）憑借其優(yōu)異的材料特性，在服務(wù)器、工業(yè)電源等關(guān)鍵領(lǐng)域掀起技術(shù)變革浪潮。本教程聚焦 SiC 尤其是 SiC JFET 系列器件，從碳化硅如何重構(gòu)電源設(shè)計(jì)邏輯出發(fā)，剖析其在工業(yè)與服務(wù)器電源場景的應(yīng)用價(jià)值。

我們已經(jīng)介紹了

碳化硅如何革新電源設(shè)計(jì)、工業(yè)與服務(wù)器電源。

三種替代 Si 和 SiC MOSFET的方案。

SiC Cascode JFET與SiC Combo JFET深度解析

利用 SiC CJFET替代超結(jié) MOSFET

本文將介紹CJFET通常需要配置緩沖電路的原因。

什么是緩沖電路？

緩沖電路可為采用安森美（onsemi）SiC cascode JFET（CJFET）的功率電路提供開關(guān)速度控制和振蕩抑制功能。對(duì)于使用其他類型 FET（如硅或碳化硅MOSFET、IGBT）的傳統(tǒng)分立式功率器件，通常設(shè)有外部柵極電阻 RG(on)和 RG(off)。通過調(diào)整這些電阻值，可以對(duì)柵漏電容 CGD進(jìn)行充放電，從而有效調(diào)節(jié)FET的電壓變化率（ ΔVDS/Δt ）和電流變化率（ IDS/Δt ），并在FET關(guān)斷時(shí)限制電壓過沖。

而如CJFET采用的共源共柵結(jié)構(gòu)（cascode 為“cascade”與“cathode”的合并構(gòu)詞，由R. W. Hickman和F. V. Hunt于1939年首次提出，用于描述三極管串聯(lián)構(gòu)成穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)）由兩個(gè)部件串聯(lián)構(gòu)成。對(duì)于CJFET來說，其CGD由兩個(gè)串聯(lián)電容組成：其一是 Si LVMOS 的 CGD，另一是SiC JFET 的 CDS。由于 JFET 的 CDS 幾乎為零，整個(gè)共源共柵結(jié)構(gòu)的等效 CGD也趨近于零。因此，試圖像傳統(tǒng)FET那樣通過調(diào)控 CGD來調(diào)節(jié)開關(guān)速度的方法，在 CJFET 中幾乎無效。

控制CJFET開關(guān)速度、電壓過沖及振蕩的最佳方式，是在器件漏極和源極之間跨接一個(gè)C（電容）型或RC（電阻-電容）型緩沖電路，具體選擇取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在半橋配置中，采用RC緩沖電路可帶來以下優(yōu)勢：

● 顯著降低關(guān)斷開關(guān)損耗

● 可將柵極關(guān)斷電阻 RG(off)減至最小，從而進(jìn)一步減少關(guān)斷開關(guān)損耗

● 在零電壓開關(guān)（ZVS）等軟開關(guān)應(yīng)用中，RC緩沖電路有助于生成更平滑的輸出波形，且無額外開通損耗，這是因?yàn)樵緯?huì)損耗的能量得以被循環(huán)利用。

為何增加電容型（C）緩沖電路可降低開關(guān)損耗

下方的電路圖展示了帶感性負(fù)載的半橋電源電路結(jié)構(gòu)。右下角展現(xiàn)了該電路的關(guān)斷波形圖，其中藍(lán)色曲線代表續(xù)流器件的位移電流 Idisp，紅色曲線代表被測器件（DUT）的總電流 ID ，它包含了緩沖電容 Cs 電流和器件自身輸出電容 Coss的電流。

初始階段，器件的導(dǎo)電溝道處于導(dǎo)通狀態(tài)。一個(gè)去耦電容 Cd 鉗位母線電壓，使其保持恒定。在關(guān)斷瞬間，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)的被測器件電壓變化率為 dv/dt 時(shí)，高壓側(cè)器件上將產(chǎn)生反向的 dv/dt 。此時(shí)，高壓側(cè)的位移電流 Idisp會(huì)導(dǎo)致總電流 ID 下降，如圖中所示。該位移電流的大小可通過以下公式估算：

在該半橋電路中加入緩沖電容后，將降低 dv/dt 階段的總關(guān)斷電流。圖中橙色的 ID 與 VDS 曲線僅表征器件電流（未計(jì)入位移電流），其下降速度明顯更快。原因較為復(fù)雜：在器件關(guān)斷瞬間，其溝道阻抗迅速增大；與此同時(shí)，緩沖電容 Cs 提供了一條額外的電流通路。該通路的阻抗并不會(huì)像器件溝道那樣快速上升，因此，隨著溝道阻抗的急劇增加，電流會(huì)被“推入”緩沖電容路徑中。正因如此，流經(jīng)器件本身的關(guān)斷電流顯著減小，從而大幅降低總的關(guān)斷開關(guān)損耗。

C型與RC緩沖電路的推薦布局

下方電路圖展示了兩種可能的緩沖電路配置方案。對(duì)于母線緩沖電路，其利用了去耦電容 Cd ，該電容應(yīng)盡可能在物理上靠近半橋開關(guān)器件。這樣可最大限度地減小高速開關(guān)回路中的寄生電感。

所有硬開關(guān)轉(zhuǎn)換級(jí)（例如圖騰柱PFC的第一級(jí)）均需使用RC緩沖電路。對(duì)于LLC拓?fù)洌ㄗh在初級(jí)側(cè)使用C型緩沖電路。在同步整流應(yīng)用中，同樣推薦使用C型緩沖電路，尤其適用于圖騰柱PFC的慢速臂或傳統(tǒng)高壓直流LLC的次級(jí)側(cè)。對(duì)于移相全橋拓?fù)?，由于可能承受比傳統(tǒng)LLC更高的關(guān)斷電流，RC緩沖電路更為適宜。

采用RC緩沖電路時(shí)，建議將電阻值設(shè)為最小，以保持較低開關(guān)損耗并保持高效率。同時(shí)，需確保該電阻連接到足夠?qū)挼?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/82/" target="_blank">PCB銅布線，以便將其作為散熱路徑——細(xì)窄的走線無法有效散發(fā)電阻產(chǎn)生的熱量。

碳化硅賦能浪潮

如您所見，當(dāng)軟開關(guān)電源設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)硅MOSFET轉(zhuǎn)向碳化硅JFET時(shí)，這一轉(zhuǎn)變在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中引發(fā)了效率與可靠性的顯著提升。

以現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心為例。在電源設(shè)計(jì)中采用安森美 EliteSiC CJFET可大幅降低散熱需求并提高開關(guān)速度。電源供應(yīng)單元（PSU）工程師得以采用更具成本效益和高能效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如支持全零電壓開關(guān)（ZVS）的圖騰柱PFC（TPPFC）。這一改進(jìn)為服務(wù)器機(jī)柜節(jié)省了寶貴空間——既優(yōu)化了氣流通道，又使單機(jī)柜可容納更多電源模塊。電能利用效率

（PUE）被推向更接近理想值1.0，從而實(shí)現(xiàn)整體用電效率的提升，這對(duì)于生成式人工智能等需要更強(qiáng)算力和更高功耗的應(yīng)用場景尤為重要。

隨著機(jī)柜電能質(zhì)量的改善，配電裝置得以簡化，占地空間和能耗同步降低。更優(yōu)的空間利用率讓數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商能夠深度優(yōu)化現(xiàn)有場地布局，而非急于擴(kuò)建新設(shè)施。這為運(yùn)營商節(jié)省了數(shù)百萬乃至數(shù)千萬美元的成本。所有這些效益，均源于晶體管使用了碳化硅，減少了電阻和電容的功率損耗與熱量散發(fā)。

這就是賦能浪潮。當(dāng)您從一開始就選用更優(yōu)的材料、更精湛的工藝、更穩(wěn)健的供應(yīng)鏈和更強(qiáng)的性能來改進(jìn)電源管理流程時(shí)，一切便水到渠成。這正是安森美為工業(yè)電源行業(yè)帶來的變革力量。