一、引言

熱插拔控制器用于安全地將電源插入到運行中的系統(tǒng)中，而不會導(dǎo)致可能損壞或破壞總線系統(tǒng)的高涌入電流。熱插拔控制器還提供對短路和過電壓/欠電壓情況的保護。實質(zhì)上，它使“熱插拔”成為可能，即在系統(tǒng)總線通電的情況下可以更換電源。現(xiàn)有的熱插拔控制器設(shè)計用于低電壓應(yīng)用，電壓高達100 V。當高電壓（400 V至800 V）系統(tǒng)是必要的，以滿足如數(shù)據(jù)中心用于AI計算等應(yīng)用的更高功率需求時，需要合適的解決方案。圖1顯示了系統(tǒng)拓撲的一個示例。

圖1. 簡化框圖

本應(yīng)用說明將重點介紹onsemi EliteSiC組合JFET用于熱插拔應(yīng)用，包括優(yōu)勢、工作模式描述、設(shè)計實踐和測試結(jié)果等。

EliteSiC JFET 基于設(shè)備JFET是最簡單的場效應(yīng)晶體管（FET）設(shè)備，具有直接的漏極到源極電流路徑。這種簡單的結(jié)構(gòu)提供了最低的導(dǎo)通電阻，并且沒有影響可靠性的柵極電荷陷阱或表面電流。圖2顯示了JFET的結(jié)構(gòu)。JFET是一個常開設(shè)備，這意味著在沒有施加負柵極偏置的情況下，設(shè)備是開啟的。要切換或保持其關(guān)閉，需要施加負電壓（低于其閾值電壓）。

圖2. JFET結(jié)構(gòu)（左：結(jié)構(gòu)，右：符號）。

onsemi提供兩種基于SiC JFET的常關(guān)設(shè)備類型：

? CJFET（級聯(lián)JFET），碳化硅（SiC）JFET

? Combo JFET，碳化硅（SiC）組合JFET

CJFET利用低電壓MOSFET和JFET的級聯(lián)配置。MOSFET作為JFET源的開關(guān)，而JFET的柵極連接到MOSFET的源。該配置的電路圖和符號可以在圖3中找到。

圖3. CJFET結(jié)構(gòu)

當?shù)碗妷?/span>MOSFET的柵源電壓（VGS）高于其閾值電壓時，MOSFET開啟。當JFET源連接到MOSFET漏極且其柵極連接到MOSFET源時，由于VGS_JFET超過其閾值，JFET被開啟。相反，當MOSFET的VGS較低（且處于關(guān)閉狀態(tài)）時，施加在CJFET上的外部電壓將增加MOSFET的VDS，直到超過JFET的閾值電壓，從而關(guān)閉JFET并使CJFET能夠阻擋高電壓。CJFET主要用于高頻開關(guān)模式應(yīng)用。

Combo JFET與CJFET的級聯(lián)配置相似，但有一個關(guān)鍵區(qū)別，即JFET的柵極可以外部訪問。對JFET柵極的外部訪問提供了幾個優(yōu)點，包括：? 通過過驅(qū)動降低導(dǎo)通電阻? 增加線性模式控制的穩(wěn)定性? 可調(diào)的開關(guān)速度以減少過沖并便于并聯(lián)? 監(jiān)測結(jié)溫的能力

對于熱插拔等電路保護應(yīng)用，線性模式穩(wěn)定性和可調(diào)開關(guān)速度至關(guān)重要。這就是為什么推薦Combo JFET用于熱插拔應(yīng)用。圖4顯示了Combo JFET的符號。

圖4. Combo JFET符號

詳細信息請參見UM70113 - JFET和Combo JFET用戶指南

Combo JFET在熱插拔應(yīng)用中的優(yōu)點低Rds(on)：低導(dǎo)通電阻在正常操作期間最小化電壓降和功耗，當功率FET完全開啟時?；?/span>JFET的設(shè)備具有比MOSFET設(shè)備更低的Rsp，下面的圖顯示了不同技術(shù)之間的原因和測試的RdsA。

圖5. JFET和MOSFET之間的結(jié)構(gòu)和RdsA比較。

二、強安全操作區(qū)域 (SOA)

在熱插拔過程中，功率FET兩端的電壓最初完全是直流鏈接總線電壓，并在直流鏈接電容器完全充電時降至零電壓。為了保持功率FET的結(jié)溫在規(guī)格范圍內(nèi)，充電電流通常相對于其正常工作電流非常低。這種操作可能會導(dǎo)致現(xiàn)代功率FET的熱不穩(wěn)定性問題。熱穩(wěn)定性由轉(zhuǎn)移曲線上正溫度系數(shù)區(qū)域的大小來定義。下圖顯示了1200 V/7 m  JFET和MOSFET的轉(zhuǎn)移曲線示例。明顯可以看出，SiC JFET的PTC區(qū)域相對小于SiC MOSFET。

圖6. SiC JFET和SiC MOSFET的轉(zhuǎn)移曲線

電流限制：熱插拔功率FET需要限制電流以確保系統(tǒng)和自身的安全。熱插拔應(yīng)用有兩種電流限制場景：啟動（直流鏈接電容器預(yù)充電）和過流保護（OCP）。圖7顯示了啟動和OCP電流限制的工作條件。

圖7. 啟動涌入電流和過流保護。

Combo JFETs 可以在電流限制（線性模式）穩(wěn)定性下工作，它們已與熱插拔控制器在 400 V 和 800 V 系統(tǒng)中進行了測試。圖 8 說明了 Combo JFETs 在啟動和過流保護（OCP）期間的線性模式操作的工作原理。

圖 8. Combo JFET 啟動和 OCP 期間的工作原理

門驅(qū)動電壓兼容性：大多數(shù)熱插拔控制器的門偏置電壓在 10 V 到 12 V 之間，功率半導(dǎo)體的門驅(qū)動電壓需要與熱插拔控制器兼容。由于低電壓硅 MOSFET 門輸入，Combo JFET 與所有熱插拔控制器具有通用的門兼容性。圖 9 顯示 10 V ? 15 V 的門電壓可以使 Combo JFET 完全導(dǎo)通。

圖 9. Combo JFET 不同門電壓下的典型輸出 V/I 曲線（1200 V/9 m 設(shè)備示例）

三、熱插拔控制方法

熱插拔控制器感測電流輸出和輸入/輸出電壓以進行控制，請參考控制器以獲取詳細信息。在本應(yīng)用說明中，我們將討論涌入控制方法，因為涌入或啟動階段對功率器件的壓力更大。限制涌入電流有兩種典型方法，一種是 dv/dt 控制/模式，另一種是主動電流限制。

帶外部 Cgd 的 dv/dt 控制

恒定輸出電壓斜率（dv/dt）可以控制涌入電流值，限制的電流水平由以下公式定義：

功率 FET 的 dv/dt 在門到源電壓處于閾值水平時由恒定的門驅(qū)動電流控制。

這恒定柵極驅(qū)動電流控制功率FET dv/dt 通過 Cgd，遵循：

基于 (公式 1) 和 (公式 2) 突入電流定義為公式 3。

熱插拔控制器在 5 μA – 20 μA 水平提供恒定柵極驅(qū)動電流。外部 Cgd 可能是必要的，以保持突入電流在不同負載電容水平下處于功率 FET SOA 內(nèi)。離散解決方案如圖 10 所示，模擬結(jié)果如圖 11 所示。此處演示了級聯(lián)結(jié)構(gòu)，Q1 是 SiC JFET，Q2 是低壓 MOSFET。onsemi 提供單獨的 JFET 和 LV MOSFET，或組合 JFET，將兩個芯片封裝在一個包中。

圖 10. 離散 dv/dt 控制原理圖

圖 11. dv/dt 控制仿真結(jié)果

連續(xù)電流閉環(huán)模式：控制器感測負載電流；此感測電流反饋到恒定電流控制環(huán)路，并與電流設(shè)定值進行比較。感測電流與設(shè)定電流值之間的差異被放大以驅(qū)動功率 FET 柵極。在 JFET 的漏極和 LV MOSFET 的柵極之間仍然需要一定水平的外部 Cgd 以穩(wěn)定控制。離散設(shè)計如圖 12 所示，以展示電流閉環(huán)控制的原理。

圖12. 電流閉環(huán)控制框圖

不連續(xù)電流閉環(huán)模式：電流閉環(huán)控制需要足夠的電流感應(yīng)分辨率以準確控制電流，因此存在最小可控電流水平。如果最小可控電流水平高于SOA能力，則可以使用不連續(xù)模式（升壓模式）方法。不連續(xù)模式意味著電流處于最小可控水平，具有一定的脈沖長度（在SOA范圍內(nèi)），并在兩個主動電流脈沖之間有一定的冷卻時間。該方法平衡了電流控制分辨率和SOA限制。

四、設(shè)計實踐

熱能力：保持結(jié)溫在規(guī)范范圍內(nèi)的最大允許功率損耗由熱阻抗和環(huán)境溫度決定（公式4）。

公式4中的Z JA是從器件結(jié)到環(huán)境的阻抗。熱堆棧如圖13所示。從結(jié)到外殼的熱阻抗（Z JC）被表征并在數(shù)據(jù)表中以不同脈沖持續(xù)時間的曲線顯示。從外殼到環(huán)境的熱阻抗（Z CA）應(yīng)由應(yīng)用設(shè)計師進行表征。

圖13. 熱阻抗

RC熱模型（Foster或Cauer）是功率FET熱阻抗的等效表示，以支持在SPICE模擬器中使用的計算或仿真。Foster模型適用于SiC組合JFET。圖14顯示了熱瞬態(tài)曲線和Foster RC網(wǎng)絡(luò)。

圖14. UG4SC075009K4S熱阻抗

圖15指示了包括外殼到環(huán)境的熱模型的結(jié)溫仿真。Ploss是模擬器中的電流源，表示功率FET的瞬時功率損耗，TA是表示環(huán)境溫度的電壓源。

圖15. 熱模型（Foster）。

案例到環(huán)境熱阻和電容影響結(jié)點溫度，進行SPICE仿真以顯示基于UG4SC075009K4S和表1中的條件。

表1.

仿真（圖16）顯示在特定的案例到環(huán)境熱阻抗（Rth_CA = 5 K/W和Cth_CA = 0.1 Ws/K）下，基于UG4SC075009K4S的啟動電流限制操作期間的結(jié)點溫度。

圖16. 結(jié)點溫度仿真結(jié)果

圖17顯示了不同案例到環(huán)境熱阻和電容的仿真結(jié)果。從這些仿真結(jié)果來看，當熱電容足夠高（>0.2 Ws/K）時，熱阻的容忍度很高（從5 K/W到20 K/W）在啟動期間。

圖17. 不同案例到環(huán)境熱阻抗的Tj仿真結(jié)果

散熱器的熱阻由給定設(shè)計的氣流決定，熱電容可以用（公式5）計算：

熱界面材料（TIM）被視為Z CA的一部分，實際熱阻抗應(yīng)通過測試測量。

熱穩(wěn)定性：功率FET的SOA曲線可能顯示不同脈沖寬度和外殼溫度下的理想化漏源電壓（VDS）和漏電流（ID）曲線。

圖18. SOA曲線 ? 恒定功率線

當功率FET導(dǎo)通時，基本上有兩種不同的操作模式：

? 歐姆區(qū)：V_DS 值遵循I_D x Rds(on)的規(guī)則

? 線性模式區(qū)：V_DS 值與I_D 無關(guān)，V_DS 由外部電路決定，I_D 由V_GS 控制（I_D = k(V_GS ? V_TH ) 2 ）

與相同的電流水平，當功率器件在線性模式下工作時，其功率損耗顯著高于在歐姆模式下工作時。用于浪涌電流限制的功率FET將相對較長時間進入線性模式，與其熱瞬態(tài)時間相比。這就是為什么預(yù)充電電流通常較小，必須根據(jù)環(huán)境和熱能力在安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)，特別是之前討論的熱電容。然而，實際部件在高V_DS區(qū)域可能表現(xiàn)出不同的行為，實際SOA上的電流與恒定功率線相比更小。這種現(xiàn)象被稱為“Spirito效應(yīng)”，是由于局部熱點的形成。功率FET的轉(zhuǎn)移曲線顯示了在給定結(jié)溫和漏源電壓（V_DS）下，漏電流（I_D）作為柵源電壓（V_GS）的函數(shù)。圖18顯示了onsemi第四代SiC JFET的典型轉(zhuǎn)移曲線。在不同結(jié)溫下，兩條曲線之間存在交叉點。在這個點上，當結(jié)溫變化時，漏電流不會改變，這意味著溫度系數(shù)為零（ZTC）。在這個點以下，由于結(jié)溫升高，漏電流變得更高，可能會形成熱點。芯片上的更熱區(qū)域集中更多電流，導(dǎo)致進一步加熱，并可能因局部區(qū)域的熱失控而失效。AND90317 - SiC JFET在主動模式應(yīng)用中顯示了基于轉(zhuǎn)移曲線和熱瞬態(tài)的穩(wěn)定性分析方法。

圖19. SiC JFET轉(zhuǎn)移曲線

當功率損耗增加超過功率可以熱散失的能力時，就會發(fā)生熱失控。

? P_loss(t) / ? T_J(t) ≥ ? P(t) / ? T_J(t) (公式6)

其中 P_loss(t) = I_D(t) * V_DS(t) 和 ? T_J(t) = ? P(t) / Z(t)，熱穩(wěn)定性的條件可以表示為：

? I_D(t) / ? T_J(t) ≥ 1 / Z(t) * V_DS(t) (公式7)

對于熱插拔應(yīng)用，所有參數(shù)都會變化，包括不同的結(jié)溫、時間或電壓。因此，通過測試實際設(shè)計進行驗證比基于公式6和7的理論分析更可靠。

測試結(jié)果

組合JFET（UG4SC075011K4S）在熱插拔控制器下測試，用于將330μF電容器充電至400V，充電電流為160mA，完全充電的時間為800毫秒。

圖20. 熱插拔啟動測試結(jié)果