在现代数据中心中，随着总线电压不断升高、供电基础设施愈发紧凑，市场对先进热插拔技术的需求也日益迫切。传统基于硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的解决方案，在电容器预充电等高应力工况下，往往难以满足实际应用需求。

本文基于安森美(onsemi)在 2025 年国际电力电子展(PCIM 2025)上发表的演讲内容，探讨了碳化硅结型场效应晶体管(SIC JFET)在热插拔领域的新兴应用，重点聚焦其卓越的热稳定性、浪涌耐受能力与能效表现。安森美碳化硅结型场效应晶体管技术，为解决当下高压环境下的安全与性能双重挑战，提供了一套先进的解决方案。

出于提升能源效率、降低配电损耗的需求，数据中心正逐步向 48V 及以上的高压直流总线架构转型，这一趋势也让电源接口相关技术挑战愈发凸显。热插拔电路作为该基础设施中的关键组件，其核心作用是在不干扰整个系统运行的前提下，实现电源模块的安全接入与移除。

传统热插拔功能通常由工作于线性模式的硅基增强型金属氧化物半导体场效应晶体管实现。然而，随着功率等级的提升，这类器件难以兼顾热稳定性与高浪涌电流耐受能力。碳化硅结型场效应晶体管凭借其先天坚固的器件结构与独特的电气特性，成为了极具潜力的替代方案。

本文将深入剖析传统热插拔设计存在的底层问题，阐述碳化硅结型场效应晶体管的核心特性，并揭示安森美基于该器件的架构如何突破关键性能瓶颈。

解析热插拔技术挑战

在典型的热插拔场景中，当电源模块或刀片式服务器接入带电系统时，未充电的大容量电容器会从直流总线抽取巨大的浪涌电流。若不对该电流加以抑制，将会引发如下问题(见图 1)：

· 总线电压跌落或电压反弹

· 连接器与功率半导体器件损坏

· 系统复位或故障停机

图1

为避免上述问题，热插拔电路必须精准调控浪涌电流，实现电容器的平缓充电(见图 2)。这就要求串联器件(通常为金属氧化物半导体场效应晶体管)工作于线性或 “有源” 模式，充当可控电阻的角色。在此过程中，器件的功耗会急剧升高，因此需要其具备出色的热稳定性与宽泛的安全工作区(SOA)。

但传统硅基金属氧化物半导体场效应晶体管的阈值电压具有显著的负温度系数。这会导致器件出现热不稳定性：器件局部发热会降低阈值电压，进而促使更大电流流过，进一步加剧温升，最终形成热失控的恶性循环。

图2

为何选择碳化硅结型场效应晶体管?

碳化硅结型场效应晶体管是一种常开型耗尽模式器件，以宽禁带材料碳化硅为基底制成，该材料具备高电场强度与优异的导热性能。碳化硅结型场效应晶体管的核心特性如下：

极低的单位面积导通电阻

得益于其直通式的漏 - 源电流路径，器件拥有业内领先的单位面积导通电阻(RDS×A)，且不存在电荷俘获效应与表面电流问题。

独特的栅极控制机制

器件的栅 - 源极 PN 结负责驱动开关动作：

碳化硅结型场效应晶体管为常开型器件

施加负栅 - 源电压时，会通过扩展非导电耗尽区实现沟道夹断

栅极电阻的取值可灵活调节器件开关速度

强大的大电流与线性模式耐受能力

依托宽泛的安全工作区，碳化硅结型场效应晶体管能够在线性模式下同时承受高压与大电流。此外，其出色的雪崩能量吸收能力与浪涌耐受能力，进一步保障了器件的高可靠性。

优异的热稳定性

器件的阈值电压负温度系数极小，从根源上规避了热失控风险。

安森美应用工程师乔纳森・道奇表示：“对于热插拔应用而言，我们需要一种具备极宽安全工作区的器件，以应对电容器预充电需求。同时，该器件还需在短时工作中实现超低导通损耗，并具备短路耐受能力。而碳化硅结型场效应晶体管是唯一能满足这些严苛要求的器件。”

为了适配常开型器件的应用场景，安森美采用共源共栅(Cascode)架构，将碳化硅结型场效应晶体管与低压硅基金属氧化物半导体场效应晶体管集成，打造出组合式结型场效应晶体管(Combo-JFET)方案。该设计既为系统设计师提供了标准化的栅极接口，又完整保留了碳化硅结型场效应晶体管的核心优势。

道奇补充道：“碳化硅组合式场效应晶体管通过集成低压金属氧化物半导体场效应晶体管与碳化硅结型场效应晶体管，并引出双栅极接口，是热插拔应用的理想选择。”

热稳定性与线性模式工作特性

碳化硅结型场效应晶体管在热插拔应用中的核心优势，在于其能够长时间工作于线性区，且不会发生热失控。

当器件的漏 - 源电压(VDS)与漏极电流(ID)均处于非忽略量级时，器件即进入线性工作模式。在此模式下，器件功耗(P = VDS × ID)较高，热管理因此成为关键环节(见图 3)。

图3

道奇解释道：“在这种工况下，即便电流变化幅度不大，漏 - 源电压也可能大幅上升。也就是说，器件会在承受较高漏 - 源电压的同时导通电流，进而产生较高功耗 —— 这恰恰是热插拔应用所需要的工作特性。”

安森美第四代碳化硅结型场效应晶体管产品(如常开型器件 UJ4N075004L8S)，展现出近乎平坦的转移特性与优异的热稳定性，确保器件在宽泛的区间内实现安全、稳定的线性工作。这一特性对于预充电与固态断路器等应用而言，具有至关重要的价值。

架构概述：组合式结型场效应晶体管与自适应控制

安森美提供多种针对热插拔应用优化的碳化硅结型场效应晶体管解决方案，具体包括：

源极电阻方案(SR)

采用固定电阻控制浪涌电流，架构简单有效，但灵活性与保护功能相对有限。

可控源极电阻方案(CSR)

通过两颗低压金属氧化物半导体场效应晶体管与碳化硅结型场效应晶体管配合，实现源极电阻的动态调节，具备更优的参数可调性与器件并联能力。

直接驱动方案

采用负栅极电压直接驱动碳化硅结型场效应晶体管(见图 4)。该架构可进一步降低导通电阻(RDS (on))，并支持结温的精准检测，从而实现智能化保护。

图4

系统级优势

基于碳化硅结型场效应晶体管的热插拔电路，为数据中心电源系统带来多重核心价值：

可靠性提升：在极端热应力与电应力下保持稳定运行

损耗降低：实现更低的导通损耗与开关损耗，提升能效

设计紧凑：减少热管理相关器件的占用空间，提升功率密度

传感简化：可通过栅极电压间接推算器件温度与电流，省去外置传感器

扩展性强：仅需少量设计改动，即可适配 100V 以上的高压应用场景

道奇总结道：“总而言之，我们需要这样一种器件：既能稳定工作于有源模式，承受高温而不发生热失控，又能在完全导通后实现极低的导通损耗。碳化硅材料正是这一需求的完美答案。若采用金属氧化物半导体场效应晶体管或同类器件，很可能会发生故障，甚至引发灾难性后果。”

在高压热插拔应用中，安森美碳化硅结型场效应晶体管是传统金属氧化物半导体场效应晶体管方案的理想替代产品。凭借卓越的热稳定性、超低导通电阻与优异的线性模式性能，该器件可确保在严苛工况下的稳定运行。随着数据中心向更高电压、更高密度的方向演进，碳化硅结型场效应晶体管技术必将在下一代电源接口设计中占据核心地位。