【应用】SiC JFET UJ3N120035K3S用于SMPS应用，具有热稳定性和很低的FSOA
功率MOS器件包括各种结构材料和栅结构的功率MOSFET以及JFET和IGBT是三端器件，其电流由栅极控制。 在大多数电力电子应用中，驱动栅极以在器件完全关闭时阻止电流通过； 或完全导通，导通损耗最小。导通和关断状态之间的转换会产生高热量，因此转换时间应保持尽可能短，以最大程度地降低开关功率损耗——这就是硬开关式开关电源（SMPS）设计的技术。
在许多应用中，开关转换不可避免地与通断状态成比例，或者在转换区域内故意设置工作点。 本文介绍了这些应用中功率MOS和UnitedSiC JFET的操作。
工作区定义
功率MOS或JFET的输出特性具有截止，有源和阻性三个区域，如图1中的UnitedSiC JFET所示。在截止中，由于仅流过很小的电流，因此该器件被认为是截止的。 当栅极-源极电压被驱动到足够高时，器件进入阻性区域，在该区域中，漏极-源极电压VDS很小，电流主要由导通电阻决定。
图1在125°C时1200V UnitedSiC JFET的输出特性
阻性区域的边界定义为：
[1]
在阻性区和截止区之间是有源区，将有源区指定为避免功率MOS，JFET和双极晶体管的线性区和饱和区的不同含义之间的混淆。 因此，在本应用笔记中将有源区域内的操作指定为有源模式，即使在许多文献中也将其称为线性模式。 有源模式下的漏极电流主要取决于栅极-源极电压，特别是在低vDS时，在图1中也清楚地看到了对漏极-源极电压的依赖性。
器件在有源模式下同时支持的电流和电压会导致产生高功率，而高功率必须作为热量散发。 因此，在有源模式下进行经济运行需要充分利用前向安全操作区域（FSOA），并且了解设备的限制对于实现可靠的操作至关重要。
有源模式下功率MOS故障的根本原因
尽管在功率MOS数据表FSOA中无法正常运行，但可以说，以有源模式运行的应用最容易受到故障的困扰。 故障的原因是热不稳定性，这会导致电流聚焦引起热点。
图2 [1]中5x5 mm功率MOS温度分布（°C）的图示清楚地显示了热点现象
由于电流随温度升高而发生正向变化，因此功率器件芯片上不可避免的温度梯度会导致热点。 芯片上较热的区域会聚集更多电流，这会导致进一步发热，并可能由于局部区域的热失控而导致故障。 在[1]中，通过在有源模式下测量功率MOS上的温度以图形方式显示了热不稳定性的影响。 结果大致复制在图2中，清楚地显示了一个热点，其最低，最高和平均温度之间存在很大差异。 电流拥挤和热点温度可能很高，导致烧坏点和设备故障。
在开关模式应用中，当前的拥挤通常不是问题。有源区域的移动速度非常快，并且在工作欧姆区域中的电流受到沟道电阻和体电阻及其相应的强正温度依赖性的限制。但是，有源模式操作会在相当长的时间里导致高功耗。因此，热不稳定性限制了有源模式下功率设备的真正安全工作区域。幸运的是，许多功率MOS制造商已经意识到了这一点，现在发布了FSOA曲线，并减少了FSOA高压侧的恒定功耗线。本文将这一步骤更进一步，并根据[1-3]中的工作，根据已发布的数据手册信息估算了实际的热不稳定性发作。
有源模式下功率MOS的热不稳定性分析
当功率增加超过散热量时，就会发生热不稳定性[4]。 用电功率和热功率分别表示为PG和Pθ，将热稳定性数学表示为：
[2]
，其中Zθ是热阻抗（与时间有关的热阻），则热稳定性的条件可以表示为：
[3]
有源区中的功率MOS漏极电流可近似为：
[4]
在等式（4）中，
，其中，μn是反型层多数载流子迁移率，Cox是每单位面积的栅极氧化物电容，W是栅极宽度，L是沟道长度。 电容Cox由栅极绝缘体的介电常数及其厚度确定。 因此，它是恒定的，栅极宽度W和沟道长度L也是恒定的。电子迁移率μn以及KMOS的幅度随温度和漏极电流iD的增加而减小。
在足够的漏极电流下，由电子迁移率降低引起的限流效应超过了由温度相关的阈值电压引起的电流增加。 因此，根据漏极电流不得随温度增加的稳定性标准，可以粗略预测功率MOS热稳定的工作条件。 作为一阶近似[1，2]，请针对温度微分方程（4）。 结果是漏极电流温度系数（DCTC），表示为αT（iD）作为漏极电流的函数。 如果DCTC小于或等于零，则功率MOS始终是热稳定的。
[5]
现在的挑战是确定DCTC曲线αT（iD）。 可以从设备设计参数计算得出，但是这些参数通常不会发布。 或可以测量。 幸运的是，传输特性（源自输出特性数据）已在大多数数据表中发布，并包含所需的DCTC数据。
图3功率MOS（a）传输特性（b）由传输特性得出的αT与iD
传输特性中的信息可以转换为αT与电流的关系图，每个数据点都在给定的栅极-源极电压下，如图3（b）所示，通过从25°C的电流中减去125°C的电流 C，然后整除（125 – 25 =100）。该图对于估算热不稳定性的开始以及比较不同功率器件的固有稳定性非常有用。
UnitedSiC JFET热稳定性和改进的FSOA
JFET中的漏极电流可以大致近似为
，可以用与功率MOS公式（4）相同的形式表示：
[6]
实际上，某些JFET中的漏极电流实际上与有源模式下的漏极-源极电压有关。 然而，通过考虑方程式（6）足以证明热稳定性，即使KJFET随vDS的增加而增加，其也总是随温度的下降而降低，如方程式（4）的KMOS一样。 因此，如果TVTC为零，则JFET始终是热稳定的，这与MOSFET的标准相同。 UnitedSiC制造具有两种栅极结构的SiC JFET。 一个具有零TVTC，另一个具有低TVTC。 两种类型都非常适合有源模式操作。 下图5用图形表示了UnitedSiC JFET与各种功率MOS器件之间DCTC的差异
图5不同器件类型的αT（iD）与漏极电流的关系
DCTC的峰值是器件固有热稳定性的指标，可用于对器件类型进行粗略但不完整的比较。 在图5中，很明显，UnitedSiC 1200V SiC JFET UJN1205K始终是热稳定的，因为其DCTC始终为负。 接下来是UnitedSiC UJ3N120035K3S，也是1200V SiC JFET。 它的TVTC略为负，因此DCTC的正峰值。 根据图5，一个800 V的常规MOSFET具有与专用1200V线性MOSFET相当的峰值DCTC，并且每个FSOA均以800V结尾。然而，这些器件具有截然不同的FSOA，如下所示。 最后，具有与UnitedSiC JFET相似的RDS（on）的1200V SiC MOSFET具有相对较高的DCTC。
采用与通常的固定结和外壳温度稍有不同的方法，通过调整最大功耗使其与热稳定性边界处的功耗相匹配来创建图6。 换句话说，当在图6的相应FSOA曲线内运行时，每个器件始终是热稳定的，并且其最大功耗是恒定的。
图6在其热稳定性边界内的各种器件的FSOA
正如预期的那样，与传统的800V MOSFET相比，SiC MOSFET在高电压下具有最低的FSOA。 但是，与基于硅的MOSFET不同，SiC JFET UJ3N120035K3S具有巨大的RDS（on）优势，大大降低了相应较高峰值电流下的导通电压。 由于低峰值DCTC和热阻的结合，线性MOSFET和SiC JFET都具有较宽的热稳定性边界。 只有UJ3N120035K3S具有高于800V漏极-源极电压的可用FSOA，这对高压有源模式应用而言是一个优势。 UJN1205K在图6中被省略了，因为它的TVTC为零，无论功耗如何，它始终是热稳定的。 相反，在下面的图7中将UJN1205K与UJ3N120035K3S进行了比较。
图7 UnitedSiC UJ3N120035K3S和UJN1205K之间的FSOA比较，TJ = 175°C，TC = 60°C
这些JFET的芯片尺寸和RDS（on）非常相似，但由于制造工艺的改进，UJ3N120035K3S的RθJC较低。 在这种情况下，UJ3N120035K3S的较低热阻超过了其热稳定性边界的降低，这限制了在400V或220V以上的功耗。
如上所示，在某些情况下容易出现热不稳定性的功率器件可以在工作模式下可靠地操作，同时降低了FSOA。 可以说，与SiC器件不同，SiC器件可以安全地运行，其最大额定结温降低了裕度，甚至根本没有裕度。 在任何情况下，以降低的FSOA进行操作都会将平均芯片温度保持在足够低的水平，以至于不会形成明显的热点，并且峰值芯片温度也不会导致故障。 通常通过实验来确定这一点，方法是在各种运行条件下将多个器件销毁，然后应用具有统计学意义的安全裕度。 使用DCTC分析，需要的破坏性测试更少（如果有的话），并且基于操作的物理原理可以更好地理解真实的FSOA。
UnitedSiC JFET实际上是为高速开关设计的，并用于MOSFET-SiC JFET共源共栅。 因此，没有内置二极管。 高效的设计和简化的制造工艺使UnitedSiC JFET在SMPS应用中具有吸引力，也使其在高压有源模式应用中优于其他器件类型。
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品牌简介 发布时间 : 2019-11-22
27:Addional Assembly Site Qualificaon- HYME - Huatian Microelectronics
型号- UF3C120080K3S,UJ3N120035K3S,UJ3C120070K3S,UF3C065030K3S,UJ3C065030K3S,UJ3C120150K3S,UJ3N120070K3S,UJ3N065070K3S,UF3C120040K3S,UF3C120400K3S,UJ3C120040K3S,UJ3C120080K3S,UF3C065040K3S,UJ3C065080K3S,UJ3N065025K3S,UJ3N065080K3S,UF3N120008K3S,UF3C065080K3S,UJ3N120065K3S
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