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利用 SiC JFET 彻底改变电路保护
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2024年10月20日 19:24 87
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Qorvo 的 SiC JFET结构简单，能够满足这些严格的要求，并且在同一电压范围内具有所有器件类型中最低的导通电阻/面积 (R DS ·A) 品质因数。
图 1(a) 显示了 Qorvo SiC JFET 的简化横截面，其中栅极-源极电压 V GS = 0，漏极-源极电压 V DS接近于零。这代表 JFET 芯片中数千个并联单元中的一个，其端子标记为源极、栅极和漏极。Qorvo SiC JFET 具有两个 PN 结，因此有两个二极管：漏极-栅极和栅极-源极，如图所示，它们叠加在相应的 PN 结上。在这种无偏状态下，漏极和源极之间存在高导电通道，允许电子自由地向任一方向流动，从而产生 Qorvo SiC JFET 独特的低导通电阻。
每个 PN 结周围都有一个高阻耗尽区，因为移动载流子已被 PN 结排斥。漏极-栅极耗尽区在图 1 中显示为灰色区域。在 (b) 中，施加足够的漏极-源极电压可促使电流流动。然而，电流几乎为零，因为施加负栅极-源极电压导致耗尽区扩大，从而被阻挡。当这些耗尽区相遇时，通道被夹断。
Qorvo SiC JFET 常开（完全导电），无需施加栅极源电压，需要负 V GS才能切换并保持关闭状态。虽然一些半导体继电器应用受益于这种常开状态，但大多数应用需要默认的常关状态。常开 Qorvo SiC JFET 适用于这两种类型，因为添加一些简单的组件可以使其保持常关状态，即使没有控制电源。但首先，几张图表可以帮助理解 Qorvo SiC JFET 的结构。
当 V GS = -5V 时，耗尽区严重限制了通道宽度，因此电流受到限制。电流随 V DS略有增加，JFET 处于“饱和”状态。当 V GS = -4V 时，耗尽区更窄，使通道更宽，从而增加了电导率（降低了导通电阻）。该曲线显示了增加 V DS和加宽耗尽区的效果，使输出特性曲线弯曲，直到电流相对于 V DS几乎没有增加。另一方面，增加 V GS会减小耗尽区的宽度，这会使通道变宽并增加电导率。该图显示了与某些 V GS值相对应的曲线，一直到 +2V，这是最后的 V GS测试电压。
图 2. UJ4N075004L8S (a) 25°C 时的输出特性，以及 (b) 栅极电流与 V GS的关系。图片由Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
请注意，在这些图中，R DS(on)是 V GS = 0V 或 V GS = +2V时的导通电阻。略微正的 V GS（例如 2 至 2.5 V）会进一步缩小漏极栅极耗尽区，并将 R DS(on)降低15%，具体取决于工作条件。这通常称为过驱动，是一种轻松最小化 JFET R DS(on ) 的方法，不会出现损坏或参数漂移的风险 — 这是 Qorvo SiC JFET 在需要低温运行和长使用寿命的应用中的另一个优势。
导通电阻温度系数 (TC) 为正值，再加上可通过栅极驱动器控制的开关速度，可轻松实现并联。然而，在选择部件和决定并联数量时，必须考虑强大的 TC。即使在高工作温度下，与竞争设备技术相比，Qorvo 的 SiC JFET 单位封装尺寸的传导损耗也显著降低。
图 2(b) 显示了 Qorvo 的 UJ4N075004L8S 的栅极电流与 V GS 的关系，其中 SiC JFET 栅源二极管为正向偏置。温度相关的二极管“拐点电压”清晰可见，斜率对应于 JFET 栅极电阻，即 0.4 Ω。V GS在 2 至 2.6 V 范围内，IG 在毫安范围内，温度范围为 -55 至 175°C。该图还显示了 JFET 的栅源二极管正向电压温度系数为 -3.2 mV/°C，可用于通过简单的差分放大器电路感测 JFET 芯片温度。
Qorvo SiC JFET 结构简单，导电性无与伦比，而这种简单性也带来了无与伦比的可靠性和耐用性。电流直接流过掺杂有高移动电子的 SiC 材料。电流路径中没有 PN 结，也没有表面电流。这种设计确保没有退化机制、滞后或异常动态效应。此外，不需要老化。只要不严重超出安全操作条件，Qorvo SiC JFET 的运行即使在多年后仍能保持一致。
Qorvo SiC JFET 结构简单，最后一个特点就是坚固耐用。只要能量保持在安全限度内，SiC 材料就可以承受高达数百摄氏度的内部高温，且参数不会发生变化。这使得 Qorvo SiC JFET 能够关闭非常大的电流，包括短路，并持续任意次数。机电断路器和继电器只能承受有限次数的紧急开关次数，有时甚至只有一次。
图 3 显示了双向阻断配置，其中 JFET 具有简单的过驱动。该电路通常处于开启状态，这意味着当没有栅极驱动电源时，JFET 处于开启状态。现成的栅极驱动器直接驱动每个 JFET 栅极，无需电压调节。导通电阻的值取决于所需的 JFET 栅极电流；至少 1 mA 足以过驱动 JFET 栅极，而建议 5 mA 或更高，以便轻松进行片上温度感应。请注意，由于导通栅极电阻较大，因此开启速度相对较慢，但这对于许多 SCB 和继电器应用来说是理想的。
JFET 栅极驱动器的负电源电压范围可以从最小 -30 V 到 V SS的推荐最大值 -12 V，或者绝对最大值比数据表中指定的 SiC JFET 最小阈值电压值低 2 V。正电源电压取决于所选栅极驱动器的欠压锁定 (UVLO) 额定值。例如，栅极驱动器（如 UCC5304）的 V DD 电压可以低至 6 V ，从而可以相应地调整导通状态栅极电阻。
图 4.具有双向阻断和常闭状态的直接驱动电路。图片由Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
与图 3 中的电路类似，JFET 的开启是通过一个大阻值栅极电阻实现的。JFET 栅极源二极管的正向电压随温度变化，为 2 V 至 2.5 V。因此，击穿电压 (BV) 为 3V 的齐纳二极管不会激活，从而允许 6 mA 电流流入每个 JFET。
与齐纳二极管反向串联的二极管允许栅极驱动器将 JFET 栅极拉向负方向。在正常运行期间，这些二极管和齐纳二极管就像被有效绕过一样。它们的主要目的是在没有栅极驱动电源的情况下关闭 JFET，例如在启动期间。在这种情况下，随着交流电源端子两端的电压上升，常关 MOSFET 两端的电压也会上升。当电压超过齐纳二极管 BV 加上 JFET 阈值电压的幅度时，JFET 会关闭，因此即使交流端子两端的电压达到几百伏，也不会有电流流动。
此处的 JFET 驱动示例只是众多可能实现中的一小部分。要点如下：
简单的栅极驱动，适用于常开和常关配置
设计灵活性
使用现成的栅极驱动器和电路元件
直接驱动 JFET 栅极的额外功能是使用 JFET 的栅极源二极管进行片上温度传感。这种 TJ 传感方法使用 JFET 芯片本身，无需在 JFET 封装内部或外部使用传感二极管或其他设备。这意味着温度传感既高度准确又响应迅速。
图 5. 温度传感放大器。图片由Bodo's Power Systems提供
该电路只能在 JFET 开启且超速时感测 JFET 芯片温度。请注意，无需调节流入 JFET 栅极的电流或栅极电源电压。例如，假设栅极驱动器的输出为 15 V，并且设置导通状态栅极电阻，以便 6 mA 电流流入 JFET 栅极。在该栅极电流下，Qorvo 的 UJ4N075004L8S JFET 的 VGS 温度系数为 -3.2 mV/°C。JFET VGS 根据芯片温度进行自我调节，在 230°C（-55 至 175°C）的温度范围内，最大范围为 0.736 V。通常的温度范围约为 100°C，对应的 V GS范围约为 0.32 V，与 +15 V 驱动电压相比非常小。因此，流入 JFET 栅极的电流可以视为恒定的，温度测量中的误差很小。这是一个非常简单、低成本的电路，除了过驱动之外，还充分利用了 Qorvo 的 SiC JFET 特性。
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