探索Qorvo 750V-8.4mΩ Combo-FET：高效能與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的融合

電子工程師在電路設(shè)計(jì)中，常常需要在性能、可靠性和成本之間尋找平衡。Qorvo的UG4SC075009K4S “Combo-FET”為我們提供了一個(gè)新的解決方案。今天，我們就來深入了解這款產(chǎn)品，看看它能為我們的設(shè)計(jì)帶來哪些驚喜。

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一、產(chǎn)品概述

UG4SC075009K4S “Combo-FET”將750V SiC JFET和低壓Si MOSFET集成在一個(gè)TO - 247 - 4L封裝中。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)允許用戶創(chuàng)建常關(guān)開關(guān)電路，同時(shí)利用常開SiC JFET的優(yōu)勢(shì)。SiC JFET具有超低導(dǎo)通電阻（$R_{DS(on)}$），可最大程度減少傳導(dǎo)損耗，并且其簡(jiǎn)化的JFET器件結(jié)構(gòu)具有出色的魯棒性，能夠處理電路保護(hù)應(yīng)用中所需的高能開關(guān)。在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，該器件可分別訪問JFET和MOSFET的柵極，從而提高速度控制能力，并便于多個(gè)器件并聯(lián)。

電路圖

二、產(chǎn)品特性

2.1 卓越的魯棒性

該器件具有出色的魯棒性，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的電路來說至關(guān)重要，比如在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的電路保護(hù)應(yīng)用中，能夠有效抵御各種干擾和沖擊，保證系統(tǒng)的可靠性。

2.2 良好的熱性能

采用銀燒結(jié)芯片連接技術(shù)，具有優(yōu)異的熱阻特性。這意味著在工作過程中，能夠更有效地散熱，降低芯片溫度，從而提高器件的使用壽命和穩(wěn)定性。在高功率應(yīng)用中，如大功率開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，良好的熱性能可以避免因過熱導(dǎo)致的性能下降甚至器件損壞。

2.3 短路保護(hù)能力

具備短路額定能力，當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時(shí)，能夠及時(shí)保護(hù)自身和其他電路元件，防止故障擴(kuò)大，保障整個(gè)系統(tǒng)的安全。這在一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如電池?cái)嚅_電路中，顯得尤為重要。

2.4 低導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通電阻處于個(gè)位數(shù)級(jí)別（$R_{DS(on)}$），能夠顯著降低傳導(dǎo)損耗，提高電路效率。在能源效率日益受到重視的今天，低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢(shì)可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出更加節(jié)能的電路。

2.5 高脈沖電流能力

能夠承受高脈沖電流，適用于需要瞬間大電流輸出的應(yīng)用場(chǎng)景，如浪涌保護(hù)電路。在遇到浪涌沖擊時(shí)，能夠快速響應(yīng)并承受高電流，保護(hù)后續(xù)電路不受損壞。

2.6 寬工作溫度范圍

工作溫度范圍為 -55°C 至 175°C，這使得該器件可以在各種惡劣的環(huán)境條件下使用，無論是在高溫的工業(yè)環(huán)境還是低溫的戶外環(huán)境，都能保持穩(wěn)定的性能。

2.7 常關(guān)能力和良好的控制性能

具備常關(guān)能力，并且可以實(shí)現(xiàn)更好的速度控制和并行設(shè)備操作（3 個(gè)及以上 FET）。這為電路設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

三、典型應(yīng)用

3.1 固態(tài)/半導(dǎo)體斷路器

在固態(tài)/半導(dǎo)體斷路器中，UG4SC075009K4S 的高脈沖電流能力和短路保護(hù)能力可以確保在電路出現(xiàn)過載或短路時(shí)，快速切斷電路，保護(hù)設(shè)備和人員安全。其低導(dǎo)通電阻和良好的熱性能也有助于提高斷路器的效率和可靠性。

3.2 浪涌電流控制

在需要控制浪涌電流的電路中，該器件的高脈沖電流承受能力和快速響應(yīng)特性可以有效地抑制浪涌電流，保護(hù)電路元件不受損壞。

3.3 電池?cái)嚅_

在電池?cái)嚅_電路中，常關(guān)能力和短路保護(hù)功能可以確保在需要時(shí)可靠地?cái)嚅_電池連接，防止電池過放或其他安全問題。

3.4 大功率開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器（>25kW）

對(duì)于大功率開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，低導(dǎo)通電阻可以降低傳導(dǎo)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率；良好的熱性能可以保證在高功率運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性；而可分別訪問 JFET 和 MOSFET 柵極的設(shè)計(jì)則有助于實(shí)現(xiàn)更好的速度控制和多個(gè)器件的并聯(lián)，滿足大功率應(yīng)用的需求。

3.5 浪涌保護(hù)

在浪涌保護(hù)電路中，該器件的高脈沖電流承受能力和快速響應(yīng)能力可以有效地吸收和釋放浪涌能量，保護(hù)后續(xù)電路。

3.6 固態(tài)/半導(dǎo)體繼電器

在固態(tài)/半導(dǎo)體繼電器中，UG4SC075009K4S 的常關(guān)能力和良好的開關(guān)性能可以實(shí)現(xiàn)可靠的繼電器功能，并且具有更快的響應(yīng)速度和更長(zhǎng)的使用壽命。

四、電氣特性

4.1 靜態(tài)特性

• 擊穿電壓：漏源擊穿電壓（$BV_{DS}$）為 750V，這表明該器件能夠承受較高的電壓，適用于高壓應(yīng)用場(chǎng)景。
• 漏極泄漏電流：在不同的溫度和電壓條件下，總漏極泄漏電流（$I{DSS}$）有所不同。在 $T{J}=25°C$ 時(shí)，$I{DSS}$ 為 4 - 84mA；在 $T{J}=175°C$ 時(shí)，$I_{DSS}$ 為 35mA。泄漏電流的大小會(huì)影響電路的功耗和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行考慮。
• 柵極泄漏電流：總 JFET 柵極泄漏電流（$I{JGSS}$）和總 MOSFET 柵極泄漏電流（$I{GSS}$）也有相應(yīng)的參數(shù)范圍。這些參數(shù)對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)非常重要，需要確保柵極驅(qū)動(dòng)能夠提供足夠的電流來控制器件的開關(guān)狀態(tài)。
• 導(dǎo)通電阻：漏源導(dǎo)通電阻（$R{DS(on)}$）在不同的溫度和電流條件下有所變化。在 $T{J}=25°C$ 時(shí)，$R{DS(on)}$ 為 8.4 - 11.5mΩ；在 $T{J}=125°C$ 時(shí)，$R{DS(on)}$ 為 14.8mΩ；在 $T{J}=175°C$ 時(shí)，$R_{DS(on)}$ 為 19.4mΩ。導(dǎo)通電阻的變化會(huì)影響電路的功率損耗，在高溫環(huán)境下需要特別關(guān)注。
• 閾值電壓：JFET 柵極閾值電壓（$V{JG(th)}$）和 MOSFET 柵極閾值電壓（$V{G(th)}$）分別為 -11.3 - -6.7V 和 3.5 - 5.5V。閾值電壓是控制器件開關(guān)的重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要根據(jù)閾值電壓來確定合適的驅(qū)動(dòng)電壓。

4.2 反向二極管特性

• 正向電流：二極管連續(xù)正向電流（$I{S}$）在 $T{C}<61°C$ 時(shí)可達(dá) 106A，二極管脈沖電流（$I{S.pulse}$）在 $T{C}=25°C$ 時(shí)可達(dá) 344A。這表明反向二極管能夠承受較大的電流，在電路中可以起到保護(hù)和續(xù)流的作用。
• 正向電壓：正向電壓（$V{FSD}$）在不同的溫度和電流條件下有所不同。在 $T{J}=25°C$ 時(shí)，$V{FSD}$ 為 1.10 - 1.24V；在 $T{J}=175°C$ 時(shí)，$V_{FSD}$ 為 1.14V。正向電壓的大小會(huì)影響二極管的功率損耗，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。
• 反向恢復(fù)特性：反向恢復(fù)電荷（$Q{rr}$）和反向恢復(fù)時(shí)間（$t{rr}$）在不同的溫度和電流條件下也有所變化。在 $T{J}=25°C$ 時(shí)，$Q{rr}$ 為 368nC，$t{rr}$ 為 31ns；在 $T{J}=150°C$ 時(shí)，$Q{rr}$ 為 433nC，$t{rr}$ 為 35ns。反向恢復(fù)特性對(duì)于開關(guān)速度和電磁干擾有重要影響，在高頻開關(guān)應(yīng)用中需要特別關(guān)注。

4.3 動(dòng)態(tài)特性

4.3.1 以 MOSFET 柵極為控制端

• 電容特性：MOSFET 輸入電容（$C{iss}$）、輸出電容（$C{oss}$）和反向傳輸電容（$C_{rss}$）分別為 3340pF、230pF 和 1.4pF。這些電容會(huì)影響器件的開關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)功率，在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要考慮電容的充放電時(shí)間。
• 柵極電荷：總柵極電荷（$Q{G}$）、柵 - 漏電荷（$Q{GD}$）和柵 - 源電荷（$Q_{GS}$）分別為 75nC、13nC 和 22nC。柵極電荷的大小決定了柵極驅(qū)動(dòng)所需的電荷量，從而影響驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。
• 開關(guān)時(shí)間和能量：開關(guān)時(shí)間包括導(dǎo)通延遲時(shí)間（$t{d(on)}$）、上升時(shí)間（$t{r}$）、關(guān)斷延遲時(shí)間（$t{d(off)}$）和下降時(shí)間（$t{f}$）；開關(guān)能量包括導(dǎo)通能量（$E{ON}$）、關(guān)斷能量（$E{OFF}$）和總開關(guān)能量（$E_{TOTAL}$）。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估器件的開關(guān)性能和功率損耗非常重要，在高頻開關(guān)應(yīng)用中需要盡量減小開關(guān)時(shí)間和能量。

4.3.2 以 JFET 柵極為控制端

• 電容特性：JFET 輸入電容（$C{jiss}$）、輸出電容（$C{Joss}$）和反向傳輸電容（$C_{Jrss}$）分別為 1965pF、226pF 和 222pF。同樣，這些電容會(huì)影響 JFET 的開關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)功率。
• 柵極電荷：JFET 總柵極電荷（$Q{JG}$）、柵 - 漏電荷（$Q{JGD}$）和柵 - 源電荷（$Q_{JGS}$）分別為 304nC、159nC 和 50nC。這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì) JFET 柵極驅(qū)動(dòng)電路非常重要。

五、推薦柵極驅(qū)動(dòng)方法：ClampDRIVE 方法

由于 JFET 柵極和 MOSFET 柵極都可訪問，因此可以采用更多的參數(shù)和方法來控制器件的開關(guān)行為。推薦的柵極驅(qū)動(dòng)方法是 ClampDRIVE 方法，該方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的導(dǎo)通速度、關(guān)斷速度和反向恢復(fù)性能。

5.1 工作原理

該方法的主要思想是動(dòng)態(tài)調(diào)整 JFET 柵極電阻值 $R{JG}$。在關(guān)斷狀態(tài)下，$R{JG}$ 足夠小，以避免反向恢復(fù)問題；在關(guān)斷瞬態(tài)期間，將 $R_{JG}$ 設(shè)置為較高的值，以實(shí)現(xiàn)所需的關(guān)斷性能。

5.2 電路實(shí)現(xiàn)

可以使用具有米勒鉗位預(yù)驅(qū)動(dòng)輸出的商用現(xiàn)成柵極驅(qū)動(dòng)器輕松實(shí)現(xiàn)該方法。通過控制鉗位 MOSFET M2 的導(dǎo)通和關(guān)斷，來改變 JFET 柵極電阻的有效阻值。在導(dǎo)通狀態(tài)下，CLAMPDRV 為低電平，M2 關(guān)斷，有效 JFET 柵極電阻為 $R_{JGOFF}$；在關(guān)斷瞬態(tài)期間，CLAMPDRV 保持低電平，直到器件完全關(guān)斷，此時(shí) JFET 柵極電阻為 $R{JGOFF}$，可有效控制關(guān)斷速度；在關(guān)斷狀態(tài)下，CLAMPDRV 為高電平，M2 導(dǎo)通，有效 JFET 柵極電阻為 $R{JGOFF}$ 和 $R{JGON}$ 的并聯(lián)值，$R{JGON}$ 可選擇得足夠小，以防止反向恢復(fù)問題；在導(dǎo)通瞬態(tài)期間，JFET 柵極電流可能通過 M2 的體二極管和 $R{JGON}$ 流入 JFET 柵極，因此導(dǎo)通過程也由 $R{JG_ON}$ 決定。

通過選擇合適的 JFET 柵極電阻 $R_{JGON}$ 和 $R{JG_OFF}$，可以實(shí)現(xiàn) SiC 共源共柵 FET 的最佳開關(guān)性能。

六、總結(jié)與思考

Qorvo 的 UG4SC075009K4S “Combo-FET” 是一款性能卓越、功能豐富的器件，具有多種優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。其創(chuàng)新的集成設(shè)計(jì)和出色的電氣特性為電路設(shè)計(jì)提供了更多的可能性和靈活性。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇器件的工作參數(shù)和驅(qū)動(dòng)方法。例如，在選擇柵極驅(qū)動(dòng)電阻時(shí)，需要綜合考慮開關(guān)速度、功率損耗和反向恢復(fù)特性等因素。同時(shí)，我們也需要關(guān)注器件的熱性能，采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，以確保器件在工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

大家在使用這款器件時(shí)，有沒有遇到過什么問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享，讓我們一起探討和學(xué)習(xí)。希望通過對(duì)這款器件的深入了解，能夠幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出更加高效、可靠的電路。