碳化硅結型場效應晶體管(SiC JFET)相比其他競爭技術具有一些顯著的優勢，特別是在給定芯片面積下的低導通電阻(稱為RDS.A)。為了實現最低的RDS.A，需要權衡的一點是其常開特性，這意味著如果沒有柵源電壓，或者JFET的柵極處于懸空狀態，那么JFET將完全導通。然而，開關模式在應用中通常需要常關狀態。因此，將SiC JFET與低電壓硅MOSFET以 Cascode 配置結合在一起，構造出一個常關開關模式“FET”，這種結構保留了大部分SiC JFET的優點。第一篇介紹了Cascode結構，本文為第二篇，將介紹Cascode開關特性。

Cascode開關特性

硬開關

大多數 Cascode結構的關斷損耗(Eoff)低于開通損耗(Eon)。這一特性在數據手冊的開關損耗與電流關系圖中明顯體現，如圖3(a)所示。 Cascode結構的固有開關速度主要由JFET電容及其片上柵極電阻決定，這些參數通過設計進行調整使總開關損耗具有競爭力：Etotal= Eoff+ Eon。

應用 Cascode的主要目的是減慢關斷速度，以抑制電壓過沖和振鈴。因此，理解 Cascode的電容特性非常重要。圖1展示了一個帶有感性負載的 Cascode在關斷時的情況。圖中標注了其輸出電容(等于JFET的柵漏電容)、片上JFET柵極電阻，以及SiC JFET與Si MOSFET。

圖 1 帶緩沖電路的Cascode關斷情況

圖 1 中的實線箭頭表示 Cascode 導通時流經感性負載和 Cascode 的電流。當 Cascode關斷時，它變為電阻特性，隨著 Cascode漏極-源極電壓的增加，電流轉向輸出電容和 JFET 柵極電阻。由于缺乏柵極-漏極電容，只有負載電流會對 Cascode 輸出電容充電; Cascode柵極不會強制流過電流。這使得 Cascode的柵極電荷較低，并且不受 dV/dt 感應(寄生)導通的影響，這些都是 Cascode的吸引人之處。

然而，這也對開關速度控制提出了挑戰：由于 Cascode輸出電容的充電過程不涉及柵極電流，調整 Cascode柵極電阻無法直接調節開關電壓壓擺率(dV/dt)。柵極電阻可以調整 Cascode MOSFET 的開關速度，從而可以間接調整開關電流壓擺率 di/dt。 (這只是一種簡化的解釋，因為如果 Cascode柵極電阻足夠大，dV/dt 就可以調節，但這樣開關延遲時間就會過長)。

由于 Cascode的關斷速度相對于導通速度更快(見圖 3(a))，建議在硬開關應用中使用關斷緩沖電路，通常采用電阻電容 (RC) 緩沖器的形式，連接在漏極和源極之間。該設計通過增加外部可調的輸出電容和阻尼電阻，對 Cascode結構的固定輸出電容進行補償。圖 1 顯示了關斷期間從 Cascode分流出的額外電流，從而降低了 Cascode的 dV/dt 和 di/dt。這種方式有效彌補了僅通過柵極電阻調節開關速度的局限性。

圖2：在硬導通過程中，存儲在輸出電容Coss及部分緩沖電容中的能量會在 Cascode中耗散。

在圖 2 中，輸出電容加上額外的緩沖電容由漏極-源極電容表示。在導通過程中，存儲在輸出電容Coss及部分緩沖電容中的能量會在 Cascode中耗散。緩沖電容的剩余能量則耗散在緩沖電阻中(如果安裝的話)。不過，這只會導致總開關損耗略有增加。

圖 3 UJ4SC075005L8S 的 (a) 開關損耗與電流的關系，以及 (b) 緩沖電阻能量與電流的關系

圖8(a)展示了UJ4SC075005L8S Cascode在硬開關條件下的損耗與電流的關系。從圖中可以看出，導通時的開關損耗顯著高于關斷時的損耗，這是許多 Cascode器件的典型特征。圖8(b)則顯示了相同器件對應的緩沖電阻的能量損耗。總的緩沖損耗占總硬開關損耗的3%到5%。

需要注意的是，如果沒有緩沖電路，通常會出現過多的關斷電壓過沖和振鈴現象。使用緩沖電路后，無論是導通還是關斷，Cascode的VDS(漏源電壓)、VGS(柵源電壓)以及ID(漏極電流)波形都會受到抑制。實踐證明，緩沖電路是調節 Cascode開關特性的最有效方法。相比于沒有緩沖電路且增加柵極電阻的情況，使用緩沖電路并減少柵極電阻能夠降低總開關損耗。SiC JFET Cascode和許多 SiC MOSFET 都是如此。

軟開關

軟開關通常包括零電壓開關(ZVS)，這是由于 FET 在反向電流流過之后才導通，從而使漏極-源極電壓幾乎為零。

圖 4 Coss和緩沖電路電容中存儲的能量在 ZVS 導通時被回收利用

在圖4(a)中，右下側的 Cascode 正在關斷，而右上側的 Cascode 開始續流(freewheel)。此時，漏源電荷從右上側 Cascode 循環到負載。類似地，在圖4(b)中，左上側的 Cascode 正在關斷，而左下側的 Cascode 開始續流，漏源電荷從左下側 Cascode 循環到輸入端和負載。

因此，在零電壓開關(ZVS)條件下，不僅消除了導通開關損耗，還因回收了存儲在輸出電容(Coss)和緩沖電容(若存在)中的能量，從而降低了關斷損耗。若電路中包含緩沖電阻，緩沖電容中的部分能量當然會在緩沖電阻中耗散。若無緩沖電路，軟開關與硬開關的關斷損耗(Eoff)差異即為硬開關的Eoff減去Eoss。對于高速開關器件而言，這一差值通常很小。

憑借快速的關斷速度、靈活的柵極驅動特性以及低 RDS.Coss(SiC JFET 的低 RDS.A)相結合， Cascode 在軟開關應用中展現出顯著優勢。根據電路中其他地方的緩沖情況(例如變壓器和/或輸出整流器兩端)，即使在 ZVS 導通的情況下，仍可能需要為 Cascode配置漏源電容以實現關斷緩沖。若電路工作在非諧振模式且硬開關狀態，則在緩沖電容上串聯一個阻尼電阻可能有助于優化性能。

開關過程中Cascode 的內部動態解析

我們再次以圖1中帶有感性負載的 Cascode 關斷過程為例，圖 5重新繪制了這一過程，但包括了雜散電感。當 Cascode 中的MOSFET關斷時，其電阻增大，漏源電壓隨之上升。

實際上，除非 Cascode 的柵極電阻異常大， Cascode 的MOSFET在關斷過程中都會發生雪崩擊穿，將JFET的柵源電壓鉗位在-25 V。這對 JFET 來說是完全安全的，因其柵源雪崩電壓遠低于-25 V。對MOSFET而言亦無風險，因其設計可耐受大電流下的重復雪崩，且雪崩持續時間極短，能量低。此時，負載電流從 JFET 和 MOSFET 溝道分流，對輸出電容(和緩沖電容)充電，直到電路中的其他器件續流電流。

圖 5 包括雜散電感和相關電容在內的Cascode

Cascode 柵極電阻越小， Cascode的 MOSFET VDS上升越快，MOSFET 將 JFET VGS箝位在 -25 V 的時間越長。當 JFET VGS被箝位在 -25 V 時，即 MOSFET 處于雪崩狀態時，JFET VGS與其閾值電壓之間的差值最大。此時JFET 的抗噪聲能力最強。當存儲在雜散電感中的能量充分衰減，MOSFET 就會退出雪崩狀態，此時通常會出現振鈴。雜散電感主要存在于源極連接線和封裝源極引腳中。

雪崩結束后，隨著JFET完成關斷瞬態，MOSFET的VDS將穩定在接近JFET閾值電壓的水平。若此時源極電感噪聲過大，就會超過 JFET VGS與 JFET 閾值電壓之間的差值，從而導致 JFET 誤導通。 Cascode結構尤其受益于配備獨立Kelvin源極引腳的封裝設計。該設計通過消除柵極驅動回路中負載電流感應電壓，有效抑制 Cascode柵極(即其內部MOSFET柵極)的振鈴，進而降低內部JFET柵極的振鈴。類似原理亦適用于導通過程： Cascode中MOSFET的快速導通可縮短其VDS接近JFET閾值電壓的持續時間，從而提升抗噪聲能力。

續流后的恢復

圖6 續流 Cascode在“反向恢復”過程中的狀態轉換

現在，讓我們考慮一個如圖 6(a)所示的續流 Cascode。即使MOSFET在死區時間內被柵極關斷，續流 Cascode的 MOSFET 仍能保持 JFET 導通。電流需換向到另一個 Cascode(本例中為下方)并反向，上方 Cascode才能支持漏極-源極電壓。續流 Cascode中JFET的柵源電壓(VGS)必須從略高于正值轉變為低于JFET閾值電壓的負值。

首先，續流 Cascode的 MOSFET 會經歷真正的反向恢復，由于 30 V MOSFET 的少數載流子壽命很短，此過程速度極快且電荷量極小，如圖 6(b) 所示。隨后，與前述硬開關關斷類似，MOSFET通常進入雪崩狀態。JFET的VGS變化取決于其輸出電容(柵漏電容)與片上柵極電阻。

與此同時，電流繼續流過續流 JFET 及其 MOSFET，直到 JFET 完成關斷序列，如圖 6(c)所示。其中只有一小部分電流來自續流 Cascode的 MOSFET 體二極管，大部分反向恢復電荷來自續流 Cascode中 JFET 關斷時的電流。這種 Cascode反向恢復效應與溫度無關，在很大程度上也與電流無關，因為它取決于 JFET 柵極-漏極電容和 JFET 柵極電阻。無論電流大小，恢復電荷都大致相同，這使得大電流下的開關波形看起來相當不錯，但在小電流下會產生相對較高的 Eon。

圖 7 UF4SC120023K4S(1200 V、23 mΩ第四代 Cascode器件)的開關損耗-電流關系曲線

Cascode器件數據手冊中呈現的Eon與電流曲線偏移(基于感性負載硬開關半橋測試數據)直觀體現了這一反向恢復效應。圖 7 顯示了一個通過推斷得到的 Eon曲線的示例，若能在接近零電流條件下測量Eon，其值幾乎完全由續流 Cascode的反向恢復過程引起的。

Cascode 的權衡

SiC JFET Cascode 結構與 SiC MOSFET 的權衡因素截然不同。在 SiC 上制造 MOS 柵極的挑戰與 Cascode 結構無關。 Cascode結構的基本權衡因素在于反向恢復電荷效應及其相關的硬開關導通損耗與關斷時的電壓過沖、以及易產生振鈴和振蕩之間的平衡。調節這一權衡的主要“調節點”是 Cascode 中 JFET 的柵極電阻，但由于其封裝在器件內部而無法調整，因此需依賴外部緩沖電路和柵極電阻來調節開關。

較高的 JFET 柵極電阻會減慢 Cascode 開關壓擺率，從而使器件更易于使用，但代價是較高的反向恢復電荷和硬開關導通損耗。 Gen3 "UJ3 "系列器件提供了這種選擇，其內部 JFET 柵極電阻高于安森美(onsemi)所有其他 Cascode產品。UJ3 系列尤其適用于軟開關及低頻應用場景。而 安森美第三代 "UF3" 系列及所有第四代 Cascode 產品則專門進行了優化以實現行業領先的總開關損耗，同時具有更高的開關壓擺率。

應用支持

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結語

Cascode 配置是在開關模式應用中利用常開型SiC JFET的低RDS.A的一種方法。

靈活的柵極驅動、快速關斷以及低RDS. Coss使得 Cascode 在軟開關應用中表現出色。

沒有柵漏電容帶來了低柵極電荷，但同時也限制了柵極電阻對開關速度的控制，因此 Cascode可利用緩沖電路來調節固有的快速關斷速度。

Cascode硬開關反向恢復效應在很大程度上與溫度和電流無關。

使用Kelvin源連接和盡可能小的柵極電阻時， Cascode 工作效果最佳。

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