功率MOSFET并聯應用及研究

摘 要:對作用在C類狀態下頻率為MHz以上的功率MOSFET并聯均流情況進行了研究，分析功率MOSFET并聯時造成不均流的各種因素，著重解析穩態和暫態電流平衡問題，并通過仿真提出一些解決方法和建議。實驗結果表明，使用參數盡量一致的MOSFET管對稱分布進行并聯，并采取合理的電路布局，通過調節電路參數能獲得較好的均流效果。

關鍵詞:功率MOSFET; 暫態均流; PSpice仿真; 對稱分布

中圖分類號:TN75 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)10-0008-03

Research and Application of Power MOSFETs in Parallel

LIU Ping， SHANGGUAN Xiao-juan， GUO Yan-hua

(Zhengzhou University， Zhengzhou 450052，China )

Abstract:The current uniform-sharing state ofpower MOSFETs paralleling operated above the level of MHz frequency and in the state of class C are researched. The factors that result in the current nonuniform-sharing caused by the power MOSFET paralleling is analyzed. The balance of the steady state and transient current is analyzed emphatically. A number of solutions and recommendations are rut forward according to the simulation result. The experimental results show that MOSFETs with almost same parameters should be chosen for paralleling， and by adopting thereasonable circuit layout and adjusting the circuit parameters， a good current uniform-sharing result can be achieved.

Keywords:power MOSFET; transient current sharing; PSpice simulation; symmetric distribution

單個MOSFET的導通電流很小，為獲得大的電流容量，通常采取多個MOSFET管并聯的方式，進而獲得較大的功率。因而，并聯MOSFET適合于在低電壓、大電流下工作。

MOSFET 的漏電流具有負溫度系數，具有自動均流和均溫作用。理論上并聯時無需使用平衡各器件電流的限流電阻和溫度補償電路，但由于MOSFET自身參數及電路參數不匹配，將導致器件并聯應用時出現電流分配不均的問題，嚴重時會導致MOSFET過載而損壞。因此并聯分流的研究很有意義。

1 影響并聯均流的因素

功率MOSFET的并聯應用中，最為關鍵的是固體器件之間穩態和暫態電流的平衡問題。

1.1 穩態均流問題

穩態指功率MOSFET管已經結束其開通過程，并進入穩定導通的工作狀態。影響靜態電流分配的主要因素是MOSFET的導通電阻Rds(on)，當并聯連接的各器件導通電阻不匹配時，流過的電流與導通電阻成反比，Rds(on)最小的器件將流過最大的電流，造成靜態漏極電流的不均衡。但由于Rds(on)具有正溫度系數，分流較大的器件會因為電流的熱效應結溫升高，使得Rds(on)增大，又使電流下降，這樣自動調節補償能力可以抑制電流分配的不均。因而，在高頻情況下著重解決暫態均流的問題[1-3]。

1.2 暫態均流問題

暫態電流不僅指開通和關斷器件的電流，還指窄脈沖和占空比小的峰值電流。直接影響暫態均流特性的器件參數包括開啟電壓Vgs(TH)、輸入電容Ciss和跨導gm。

并聯時由于兩管開啟電壓不同，兩管的分流比也有所不同。一般來說，開啟電壓較小的管子先開通，但穩態時一致，同時關斷。這是因為功率MOSFET 器件的漏電流具有負溫度系數，典型值近似為-5 mV/℃;開啟電壓隨溫度的增加而下降，當Id增大時，各管就自動均流了。

Id與柵源電壓之間的關系能準確地反應出開通與關斷過程中均流的程度，即跨導。可以用下式表示:

gm=ΔId/ΔVgs

Power MOSFET在導通及截止的過程中工作在線性區，因此傳導的大小與導通和截止過程中所能流經Power MOSFET的最大電流有關，亦即:

Id=(Vgs-Vth)gm

由此可見，跨導大的管子先導通，且完全導通后承擔的電流多，這樣會導致局部電流不平衡而過載。但是由于垮導也隨溫度的增加而下降，溫度系數為-2，因而一定程度上也能緩和電流的不平衡。理想的狀態是并聯的MOSFET管柵源電壓能同時上升或下降，即使上升或下降的跨導曲線完全吻合，而實際上，追求完全的一致是很困難的，因而在使用時要選擇參數分散性盡可能小，轉移特性基本一致的管子，并使其工作在安全區域之內[2-5]。

輸入電容Ciss對開關通斷時間有嚴重的影響，不匹配會導致兩管的柵極電壓到達開啟電壓的時間不同，而在關斷時大的管子放電時間較長，造成開關時電流分配不均衡而出現故障。可以通過調節柵極電阻來緩解這一狀況[6]。

影響暫態均流的主要電路參數有柵極去耦電阻(Rg)、柵極引線電感(Lg)、漏極引線電感(Ld)、源極引線電感(Ls)等。

MOSFET的電路結構也會對電流的均勻分配有一定的影響。在高頻電路中，動態過程的分析相當復雜，通常用仿真實驗來解決。圖1為2個MOSFET并聯時的仿真電路。

圖1 MOSFET雙管并聯仿真電路圖

實驗采用美國摩托羅拉半導體公司生產的MTH13N50作為開關器件，其最高耐壓為500 V，最大連續漏電流為13 A，導通電阻為0.4 Ω。驅動電壓V1/V2是幅值為15 V，頻率為1 MHz，占空比為50%的脈沖信號;外接直流電源VDD=300 V;負載R3=75 Ω;D為續流二極管;負載寄聲電感L1=L2=L3=100 nH，Lg1=Lg2=Ls1=Ls2=Ld1=Ld2=15 nH，分別為MOSFET的柵源漏級引線電感;Rg1和Rg2為兩管的柵極去耦電阻。PSpice仿真結果如圖2~圖6所示。

當R1=10.5 Ω，R2=10 Ω，其他參數完全一致時，并聯兩管的漏電流Id波形如圖2所示。

從圖2中可看出，兩管的柵極電阻不一致時，會導致不均流，柵極電阻小的不僅先開通，也先關斷，而且當柵極電阻取得較小且不一致時，會出現嚴重的振蕩。柵極電阻小的管子在導通期間承受大部分電流，管子的損耗大，易過熱損壞。這在高頻時尤為明顯。

圖2 R1=10.5 Ω，R2=10 Ω時的兩管漏電流波形

在實驗中，在兩個管子的柵極串聯了一個小電阻，從而對柵極電阻小的管子進行柵極電阻補償，降低電路的品質因數，從而改善了均流效果。串聯效果圖如圖3所示。

圖3 串聯效果圖

在兩管柵極間串聯一個2 Ω電阻后的漏極電流波形如圖4所示。

圖4 串聯小電阻后的兩管漏電流波形

可見，引入串聯電阻后，兩管的漏電流基本達到了一致，實現了均流的效果。當Ls1=25.5 nH，Ls2=15 nH，R1=R2=10.5 Ω，其他參數都一致時，結果如圖5所示。由圖5得出，源級電感小的比源級電壓大的先導通，且在整個導通過程中流過的電流較大，關斷也比較早，而且當源極電感的差異較大時，并聯兩管的漏極會出現寄生振蕩。這種情況下容易導致并聯中管子的開通關斷不一致，而失去了并聯分流的意義，也不可避免地使管子過流而失效。

圖5 Ls1，Ls2不一致時的漏電流波形圖

調節柵極電阻的大小，R1=10.843 Ω;R2=10.41 Ω，漏電流如圖6所示。

圖6 調節Rg后的漏電流波形

直接調整器件的柵極電阻，以阻止動態電流的進一步不均衡，能夠改善其均流特性，但效果不是很理想，而且源極電感過大會引起器件的開關時間過長，而不利于高頻的使用。所以在高頻下進行并聯時，要保證源極電感的合適與一致是非常重要的。

通過仿真分析發現，柵極引線電感的不一致對并聯兩管的均流也有一定影響，使得兩管開通不同時，且關斷時柵極電感大的管子電流尖峰比較大，兩管柵極引線電感的差異越大，關斷時的電流差也就越大。另外，引線的電感越大，關斷產生的振蕩越厲害，這也是需要避免的。因此，在應用時，應盡量減小柵極引線電感值，并使線路布局對稱。漏感差別一般不會很大，對均流不會造成太大的影響。

2 實驗驗證

圖7為單管MOSFET放大電路原理圖，該實驗主要針對在C類射頻放大器中MOSFET并聯分壓的研究。基于效率和頻率的考慮，實驗中放大器的主電路采用ARF461型MOSFET管，其具有低損耗、高耐壓值的特點。圖8為ARF461轉移特性曲線和折線化后轉移特性曲線。

圖7 單管MOSFET放大電路原理圖

實驗中主要有目的地對電流容量要求較大時的MOSFET并聯均流問題進行了研究和探討。電路中直流電源Udc=100 V;R1=200 kΩ，R2為100 kΩ電位器;扼流圈L1=L3=19 μH;隔直電容C1=C2=1 μF;L0=18.9 nH，C0=372 pF。根據以上各個參數對并聯均流的影響，試驗中MOSFET嚴格地對稱并聯，通過對電路的調整以及參數的調節，大大改善了兩管的均流情況，得到改善前后的兩管漏極電流波形如圖9所示。

圖8 ARF461轉移特性曲線

圖9 改善前的Id波形圖

圖10 改善后的Id波形圖

綜上所述:在實際應用中，為了最大限度地獲得并聯均流，應該從以下幾個方面考慮:

(1) 盡量挑選同型號同批次且內部參數分散性較小的管子進行并聯。

(2) 采用合理的電路布局，并聯的MOSFET盡量對稱布局，各個器件應是完全相等的布線，從柵極驅動器的共同輸出點到柵極端口的引線長度應該相等，從 MOSFET管源極端子到共同結點的引線長度也應該相等。

(3) 采用低電感布線，降低寄生振蕩的影響。

(4) MOSFET管之間采用緊密的熱耦合，使各個MOSFET管的溫度盡量一致。當具有獨立外殼的MOSFET管并聯工作時，應置于同一個散熱片上，并且盡量靠近。

3 結 語

當功率 MOSFET 多管并聯時，最根本的方法是選用內部參數完全一致的器件進行并聯，通過緊密布局和器件對稱布局，減小雜質電感和分布電容，并通過調節柵極電阻，降低其品質因數，以獲得較好的均流效果。本文的研究為它工作在C類狀態下，其工作頻率為MHz以上提供了電流保障。

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