SiC JFET如何实现热插拔控制
本教程重点介绍SiC JFET在固态断路器中的应用。核心内容包括三大板块，阐述了SiC JFET的关键特性，系统阐述了SiC JFET如何推动电路保护系统的重大进步，并通过评估和测试结果展示了产品性能。我们介绍了浪涌电流、应对不断增长的电力需求、为何使用固态断路器以及SSCB 采用SiC JFET 的四个原因。本文继续介绍评估和结果，以及SiC JFET 如何实现热插拔控制。
评估和结果
为了评估固态断路器中组合JFET 的性能，使用了如下所示的评估板(EVB)。它与两个背对背UG4SC075005L8S 750 VAC 组合JFET 配合使用。 EVB 具有双向电流阻断功能，同时还允许电流双向流动。
EVB 有七个功能块：
电源通道，包括电池、缓冲器和栅极驱动器
电流检测调节和过流保护
JFET 结温传感，测量JFET VGS 压降
VDS 感应，测量MOSFET 压降
模数转换(ADC)
微型计算机单元和接口（MCU）
带输入和控制电源转换器的辅助电源
温度传感
过驱动时，可以通过测量栅源JFET 电压来感测结温。只能在两个JFET 都通电的情况下进行测量。
使用上一篇推文中提到的双放大器温度传感方法，我们将校准温度TJ 与栅源电压曲线VG_JFET 进行比较。该方法消除了低压MOSFET 上的压降引起的偏移。
下图显示了-25 A 至+25 A 范围内的MOSFET 栅源电压测量结果。应用抵消公式可得到更准确的“倒数平均值”曲线T 56，如图中棕色曲线所示。
由于两个MOSFET 上的漏极-源极电压可以相互抵消（与电流方向无关），因此很容易绘制一条反映两个JFET 栅极-源极电压测量平均值的曲线。这样我们就可以推导出整个MOSFET VGS 范围内的正确结温。
最终结果是温度和电压之间近乎理想的线性关系。温升斜率遵循公式y=0.0077 x + 0.6104，最终JFET电压VG_JFET随温度T J 的变化系数为2.54 mV/C。
由JFET 栅极压降感测的结温TJ 曲线还可用于绘制给定TJ 范围内组合JFET 的归一化导通电阻测量结果。下图假设VGS 为12V，电流ID 为80A。漏源电压和导通电阻之间的关系由以下导通电阻公式表示：
其中Np表示并行芯片的数量。
电流检测
使用EVB 测量电流有两种方法。下图显示了分流电阻法的结果。两个分流电阻器插入公共源。该方法的结果具有非常令人满意的线性度。
第二种方法基于估计漏源电压VDS 和温度TJ 的测量结果，其本身源自导通电阻RDS(on)。该方法的结果确实存在一定程度的非线性。
然而，在测试设备的过流操作能力时，这种较小程度的非线性并不是问题，这对于断路器至关重要。最重要的是最接近过流动作设定的电流测量，可以非常准确地校准。
过流保护
针对EVB的过流保护测试特性，通过改变电阻值将过流阈值设置为660A左右。过流条件被锁定，直到手动或通过软件复位。
从开关S 1 引出的电缆L 1 和L 2 为#12 AWG，长度均为61 cm。电容器C1 是一个100 F/800 VDC 电池，充电至150 VDC。
栅极电阻RG 的测试范围为4.7 至300 。每个测试呈现的曲线与下面所示的100 测试的结果大致相同。利用电容器中存储的能量，电流迅速增加至约650A。此时，比较器触发保护机制，并在约7.5s内安全关闭电路。
SiC JFET 如何实现热插拔控制
上一篇文章介绍了浪涌电流限制的概念，并解释了要在较高电压下更快、更安全地关闭电路，必须使用固态断路器。
在使用任何组件限制浪涌电流之前，它必须首先以线性模式运行。这是场效应晶体管最著名的模式，其特点是输出波形保留输入的形状和频率，包括当信号被放大时。线性模式（也称为“主动模式”）需要宽敞的安全工作区(SOA) 并确保热稳定性。
为了获得最佳效果，浪涌限制组件应具有短路和过流保护功能。为了确保实现这一点，开关速度必须可控，以限制电压过冲。它还必须具有高度鲁棒性，能够处理高峰值电流。
为了确保正常工作，元件的导通电阻必须尽可能低，以减少传导损耗。它必须尽可能小，以减少并联使用的元件数量。考虑到所有这些要求，最合适的选择是SiC JFET 和SiC Combo JFET。
了解线性工作模型
半导体器件（及功率MOS器件）的输出特性可分为三个区域：截止区域、欧姆区域和有源区域。当输出处于截止区域时，由于电流非常小，因此器件被视为处于关闭状态。当栅源电压VGS 驱动得足够高时，器件进入欧姆区。此时漏源电压VDS较小，电流主要由导通电阻决定。
欧姆区是电阻恒定的区域。在该区域中，栅源电压介于0 和阈值电压VGS(th)（也称为“夹断电压”）之间，源极和漏极之间开始形成导电沟道，并且电流流动。如果VDS为零，则无论VGS如何，漏极电流ID也变为零。欧姆区的边界由下式定义：
有源区域是器件以线性模式运行的区域。在这个区域，漏极电流主要取决于栅源电压，但漏源电压仍然可能有一些影响，特别是当VDS较低时。
onsemi 1200 V JFET 在125 C 时的输出特性
在实际应用中，安森美半导体JFET 器件往往在所谓的饱和区（覆盖大部分有源区域）表现出更平坦的特性曲线。这并不是“线性模式”名称的真正原因，但它足够直观，可以用作参考指标。欧姆区之后，VDS超过阈值电压后，仍然有一个小区域可以被认为是非线性区域。当电流输出保持平坦时，线性模式开始。
JFET 大部分时间工作在线性模式。在此期间，芯片中产生热量，传播到整个封装，并最终通过散热器消散。
在线性模式下，JFET 对VDS 不敏感，但对用于控制电流的VGS 仍然非常敏感。
在线性模式下，栅源电压大于夹断电压，并且漏源电压已超过阈值点。漏极电流ID等于阈值点的平方乘以跨导参数k，反映了芯片将电压变化转换为电流变化的能力。这些参数反映在下面的公式中。
实现浪涌电流限制功能
为了能够使用SiC JFET 来限制浪涌电流，下面的电路使用SiC JFET 器件作为Q1 处的恒流源。电阻器RS与JFET和输出HVDC 2串联并用作反馈元件。电流Is 从输入HVDC 1 流至JFET，然后流经电阻器RS，在RS 上产生电压。这设置了栅源电压VGS，从而设置了电流。
向电路施加恒定电流会导致输出电压线性上升，直到等于输入电压。在此期间，JFET 以线性模式运行，因此JFET 是唯一产生大量热量的组件，从而限制了流入电容器的浪涌电流。
在恒定电流下，电压线性上升，直到等于输入电压。此时，JFET 完全导通。在此期间，低压MOSFET Q2 保持关断。输出电容预充电后，Q2可以导通以旁路RS，从而避免正常工作期间的功率损耗。它是一个简单的源电阻，通过JFET Q1 实现常开特性。
为了使源极电阻更加可控并实现常关特性，可以在电路中添加MOSFET Q3来进行开关控制。当Q3设置为关断时，Q2也关断，但更重要的是，Q1关断，电流无法流过。这样，电路就恢复到其常闭特性，这也是断路器通常应具有的特性。
添加Q3 还可以让您控制电流何时开始流动。当电流上升时，Q2 设置为关断。 Q3 导通，允许电流流过SiC JFET 和电阻器RS，将电流设置为恒定水平。当输入和输出电压相等时，Q1完全导通，然后Q2可以导通以旁路RS以最小化功率损耗。由于每个晶体管（尤其是JFET）都可以单独控制，因此很容易将它们并联排列。
仿真：RS=50，容性负载=1 mF
更复杂的电路版本在放大器的帮助下添加了反馈控制。下面的电路图显示了通过将SiC JFET 与常关低压MOSFET 串联配对而实现的常关配置。在该电路中，齐纳二极管D2 将JFET 栅极连接到MOSFET 源极，并且运算放大器不通电，从而使JFET 保持关闭状态。
放大器通过检测电阻器Rsns 检测电流，并将其与可变的栅极控制电流进行比较。现在，电流曲线可能会发生变化，例如变为恒定功率，而不是使用简单的恒定电流对电容器充电。在这种情况下，可以向JFET施加稍微正的电压，并向栅极注入小电流以对其进行过驱动，从而使导通电阻RDS(on)降低约15%。温度传感的工作原理与以前一样，通过测量栅源电压VGS 来实现。
在此配置中，很难将JFET 与一组放大器一起使用来均匀分配电流。任何晶体管，即使是同一晶圆的芯片，栅源阈值电压也会有一定的差异。应使用一组放大器来控制成对的SiC JFET。请记住，电路可能需要降额以解决不均匀的电流共享问题。
速度控制测试及结果
SiC JFET 为断路器带来更快的开关速度，但对于大多数SSCB 应用，开关速度应设置为典型开关模式应用的1/50。即使通过添加缓冲区来显着减慢设备速度也是不切实际的。最好单独或组合使用JFET。无论哪种情况，您都可以插入JFET 栅极，其开关速度可以直接由栅极电阻器设置。
为了测试开关速度和性能，SiC JFET通过电阻R7与低压MOSFET串联，形成共源共栅结构。 MOSFET 关闭，导致JFET 有效关闭，但栅极电流继续流过R7。改变R7 的电阻大小可以改变JFET 的开关速度。
功率半导体器件并联时，必须注意反馈引起的寄生振荡。通过调整开关速度可以避免这种情况。通过增加R7 处的栅极电阻，可以成比例地降低开关速度。电压和电流变化率均降低。
然而，这样做的代价之一可能是更高的栅极电荷。因此，栅极驱动环路的设计和布局至关重要。当安森美半导体SiC JFET 在钳位电感负载下关闭时，电流会通过漏极-栅极电容、栅极电阻器和栅极驱动器从JFET 通道转移到另一条路径。输出电容器的几乎所有充电和放电均由栅极驱动器通过栅极电阻器而不是通过负载电流提供或消除。这会带来极快的开关速度，如下图所示，同时最大限度地减少振铃并避免寄生振荡。
待续。
