【導讀】共源共柵碳化硅結型場效應晶體管（Cascode SiC JFET，簡稱 CJFET）兼具高耐壓、低導通損耗、開關速度快及柵極電荷低（0?12 V 柵極驅動）等優勢，在 LLC 諧振變換器中極具應用潛力。然而，其關斷時較高的電壓變化率（dv/dt）易激發持續振鈴，導致電壓過沖、電磁干擾（EMI），極端情況下甚至引發振蕩。尤其在高于諧振頻率的工況下，初級側開關電流往往較大（例如 750 V 器件可達 30 A 以上），該問題更為突出。
本文為 CJFET 用于高頻零電壓開關（ZVS）應用提供了系統級設計指導。并展示了在初級側器件兩端并聯電容緩沖電路（C-snubber）是控制 dv/dt 并降低開關損耗的簡便有效方法，同時量化分析了如何對勵磁電流或死區時間進行權衡。實測數據表明，在采用 CJFET 的大電流 LLC 設計中，并聯 C-snubber 能夠有效提升系統效率。
本期技術剖析將帶您了解Cascode SiC JFET的技術優勢、利用外部 Cds控制 CJFET 關斷時的 dv/dt等主題。
Cascode SiC JFET 在 LLC 初級側的優勢
得益于以下特性，CJFET 非常適合應用于 LLC 初級側：
高額定電壓：適用于數據中心等場景下的 400 V 或 800 V 高壓直流母線輸入。
低 Rds(on)：在相同額定電壓下，相比傳統的碳化硅（SiC）和硅（Si）基 MOSFET，其導通損耗更低。
開關速度快：其輸出電容（Coss）中存儲的電荷量小，在極短死區時間內僅需移除少量電荷即可維持零電壓開關（ZVS）。
圖 1. CJFET 具有業界領先的 FOM (Rds(On)x 芯片面積) ，在相同封裝中實現更低導通電阻
圖 1展示了在相近電壓等級下，采用 TOLL 封裝但基于不同技術的器件在導通電阻（Rds(on)）方面的對比。與其他采用不同技術的器件相比，CJFET 的導通電阻（Rds(on)）顯著更低，同時 Vds 額定值還額外高出 100 V。
圖 2. 采用TO-247 封裝、650 V 至 750 V 額定電壓、Rds(on) 相近的不同器件的 Coss對比
圖 2展示了在具有相似導通電阻Rds(on)且同為 TO-247 封裝的條件下，額定電壓為 650 V 或 750 V 的功率器件的典型輸出電容Coss。一般而言，SiC（碳化硅）器件的 Coss遠低于 Si（硅）器件。
利用外部 Cds 控制 CJFET 關斷時的 dv/dt
對于 CJFET，增大柵極電阻（Rg）雖然能像常規 MOSFET 一樣減小柵極電流，但由于 CJFET 的柵漏電容（Cgd）極低，該方法在控制漏源電壓Vds壓擺率（dv/dt）方面效果甚微。相比之下，在器件兩端并聯（漏源之間）緩沖電路對控制關斷 dv/dt 更為有效。RC 緩沖電路可提供寬帶阻尼以抑制振鈴，但代價是會產生額外的電阻損耗；而純電容（C）緩沖電路則能在 LLC 等零電壓開關（ZVS）應用中，在不產生功率損耗的前提下實現 dv/dt 控制。
假設在快速關斷瞬態期間，流過器件導通溝道的電流可忽略不計，則在半橋（HB）拓撲中，dv/dt 與正在換流的瞬時電流（Isw）成正比：
（公式1）
其中，Isw為開關電流，在本應用筆記中假設為 LLC 變換器的勵磁電流峰值（Im_pk）。Coss(HV)是指在 Vds 區間內 Coss相對平坦、且測得最高 dv/dt 的區段對應的平均輸出電容，以 NTBT023N075CJ4（TOLT 封裝）為例，如圖 3 所示。公式中僅采用該部分電容，因為在瞬態過程中，正是該最低平均輸出電容值決定了實測的最高 dv/dt。由圖 3 可知，Coss(HV)約為 160 pF。
圖3. NTBT023N075CJ4在產生最高dv/dt的Vds區段中的典型電容定義
以 NTBT023N075CJ4 在 400 V 直流母線下的應用為例，我們可以根據公式 1 估算不同開關電流對應的 dv/dt。下圖 4 繪制了未加外部 Cds 以及外加不同 Cds 時的一系列曲線。針對不同的開關電流設計，可以利用這些曲線來確定控制 dv/dt 所需的 Cds 容值。
舉個例子，如果將該器件選作高頻 LLC 變換器的初級側開關，且確定勵磁電流峰值 Im_pk 為 10 A，那么估算出的 dv/dt 約為 31 V/ns。如果綜合考慮 Vds 過沖、振蕩傾向以及 EMI（電磁干擾）后，認為該 dv/dt 可以接受，那么在正常工作時就不需要外加 Cds。
不過，做這個決定時，必須把 LLC 變換器可能面臨的所有工作條件都考慮在內，比如啟動、負載階躍變化，以及可能出現高關斷電流的故障保護等瞬態工況。如果在系統設計階段無法排除這些大電流開關工況，建議增加 Cds緩沖電路來限制 dv/dt。
繼續以剛才的例子來說，如果要求 dv/dt 控制在 20 V/ns 或更低，那么應該選用 100 pF 或更大容值的 Cds。
圖4. NTBT023N075CJ4的關斷dv/dt及利用外部Cds控制dv/dt
