揭秘 SiC 市场新爆点：共源共栅（cascode）结构深度剖析

出处：网络整理发布于：2025-06-13 16:54:20

在 SiC（碳化硅）市场蓬勃发展的当下，安森美（onsemi）的 cascode FET（碳化硅共源共栅场效应晶体管）在硬开关和软开关应用中展现出了诸多优势。今天，我们将深入探讨 Cascode 结构，探寻其在 SiC 市场成为下一个爆点的潜力。

Cascode 简介

碳化硅结型场效应晶体管（SiC JFET）相较于其他竞争技术，具有显著优势，特别是在给定芯片面积下能实现低导通电阻（RDS.A）。然而，为了达到的 RDS.A，它存在常开特性，即当没有栅源电压或 JFET 的栅极处于悬空状态时，JFET 会完全导通。但在实际应用中，开关模式通常需要常关状态。因此，将 SiC JFET 与低电压硅 MOSFET 以 cascode 配置相结合，构建出一个常关开关模式的 “FET”，这种结构在很大程度上保留了 SiC JFET 的优点。

Cascode 结构

共源共栅（Cascode）结构是将一个 SiC JFET 与一个低压、常关的硅（Si）MOSFET 串联而成，其中 JFET 的栅极连接到 MOSFET 的源极。由于 MOSFET 的漏源电压是 JFET 栅源电压的反相，使得 cascode 结构具备常见的常关特性。该结构能够在额定漏源电压范围内阻断电流，不过和任何 MOSFET（无论是硅基还是碳化硅基器件）一样，其反向电流始终可以流通。

图 1 Cascode 配置

当内部 MOSFET 导通或有反向电流流过时，无论 cascode 的栅极电压如何，JFET 的栅极 - 源极电压几乎为零，JFET 处于导通状态。当 MOSFET 关断且 cascode 两端存在正的 VDS（漏源电压）时，MOSFET 的 VDS 会增加，同时 JFET 的栅源电压会降低至低于 JFET 的阈值电压，从而关断 JFET。

分立 cascode 结构有并排芯片和堆叠芯片两种形式。在并排配置中，MOSFET 安装在一个金属镀层的陶瓷隔离器上，有两组源极连接线：一组连接 JFET 源极和 MOSFET 漏极（金属镀层陶瓷的顶面），另一组连接 MOSFET 源极和源极引脚。在堆叠芯片配置中，JFET 源极和 MOSFET 漏极之间的连接线被取消，减少了杂散电感，并采用直径较小的连接线连接 JFET 和 MOSFET 栅极。

图 2 分立 cascode 结构

该 MOSFET 专为 cascode 结构设计，其有源区雪崩电压设定约为 25V。它基于 30V 硅工艺制造，具有低导通电阻 RDS (on)，通常仅为 JFET 的 10%，并且具有低反向恢复电荷 QRR 等特性。JFET 主要用于阻断高电压，大部分的开关和导通损耗都集中在 JFET 上。

Cascode 的工作特性

Cascode 的导通电阻 RDS (on) 由 SiC JFET 和低压 Si MOSFET 的导通电阻共同组成。当 cascode 栅极关断时，反向电流流经 MOSFET 体二极管，从而自动导通 JFET。在这种情况下，源极 - 漏极电压为 MOSFET 体二极管压降加上 JFET 导通电阻的压降。由于 cascode 内的 MOSFET 由硅制成，因此栅极关断时的源极 - 漏极电压不到同类 SiC MOSFET 的一半。当栅极导通时，cascode 结构在正向和反向电流下具有相同的导通损耗。

Cascode 的栅极电压范围非常灵活。一方面，栅极是 MOSFET 栅极，在室温下阈值电压接近 5V，无需负栅极电压，栅极电压范围为 ±20V，且不存在阈值电压漂移或迟滞风险，同时内置了栅极保护齐纳二极管。另一方面，cascode 具有高增益。例如，采用 TOLL (MO - 229) 封装的 750V、5.4mΩ 第 4 代堆叠芯片结构的 cascode——UJ4SC075005L8S 在 25°C 的输出特性曲线显示，当 cascode 栅源电压超过约 8V 时，其电导率的变化非常小。一旦 MOSFET 导通，JFET 即完全导通，这意味着 cascode 可以用 0 至 10V 的自举电压来驱动，从而限度地降低栅极驱动器的功率和成本。此外，更宽的栅极电压范围（如 - 5 至 + 18V）也不会对器件造成损害。

图 4 Cascode 的高增益可实现 10V 栅极驱动

Cascode 的电容特性

Cascode 与其他功率晶体管的一个主要区别是没有栅漏电容。当漏源电压 VDS 超过 JFET 阈值电压后，Crss 实际上会降至零。这是因为 JFET 没有漏极 - 源极电容（既没有 PN 结，也没有体二极管来产生这种电容）。这意味着在开关电压转换过程中，cascode 的 dVDS/dt 主要由外部电路而不是 cascode 栅极电阻决定。Cascode 的 MOSFET 开关速度可通过其栅极电阻调节，而 JFET 的开关速度部分由 MOSFET 决定，部分则由外部电路决定。这也解释了为何在硬开关情况下，cascode 结构需借助漏源缓冲电路（snubber）来控制关断速度并抑制电压过冲。所有 JFET 输出电容（包括栅漏电容与漏源电容）都是栅漏电容，cascode 输出电容 Coss 约等于 JFET 栅极 - 漏极电容，cascode 输入电容 Ciss 主要来自 cascode 的 MOSFET 栅极 - 源极电容。