MOSFET串聯技術在電力工程電源中的應用*

尹強，任曉丹，熊澤成

（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

MOSFET串聯技術在電力工程電源中的應用*

尹強，任曉丹*，熊澤成

（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

為滿足高壓輸入、高功率密度的要求，分析了MOSFET串聯的靜態均壓與動態均壓理論，結合反激DC/DC變換器拓撲，采用RCD箝位電路技術，設計了基于MOSFET串聯的電力工程電源。實驗及實踐表明，該設計運行可靠，市場競爭力強。

MOSFET；串聯；靜態均壓；動態均壓；反激

隨著電力電子技術的飛速發展，功率MOSFET以其高頻性能好、開關損耗小、輸入阻抗高、驅動功率小等優點在電源中得到了廣泛的應用［1-2］。功率MOSFET必須在其額定的電流和電壓下工作，才能保證器件不被損壞，但在一些應用領域，需要對大電流、高電壓進行控制，對功率MOSFET的電流容量、耐壓能力要求較高，但可能沒有滿足這種要求的器件，即或有價格也非常昂貴，因而對功率MOSFET電流容量、耐壓能力的擴展技術研究就顯得很有必要。

將MOSFET串聯使用，可以有效解決單個MOS?FET耐壓等級低的缺陷，且成本較低。這里采用MOSFET串聯技術，但因MOSFET的自身參數和電路參數不匹配，將導致器件串聯應用時出現電壓分配不均的問題，嚴重的電壓分配不均，會使串聯的MOS? FET過壓，以致燒壞［3］。本文通過靜態、動態均壓理論分析，總結MOSFET串聯使用的一般性原則，采用共用驅動電路及無源吸收回路技術，將2只MOSFET串聯使用，應用于高壓輸入的電力工程電源中。

1　影響MOSFET串聯均壓的主要因素［3　-6　］

在MOSFET串聯運行過程中，各個MOSFET器件都會經過開通、通態、關斷、斷態等幾個階段。通態和斷態時，MOSFET上的電壓基本保持不變或只有緩慢的變化，因此屬于相對穩定的狀態；開通和關斷時，MOSFET上承受的電壓則會發生快速的變化，因此屬于一個動態過程。所以，MOSFET電壓不均的主要因素有兩種：靜態電壓不均和動態電壓不均。

1.1靜態均壓

靜態電壓不均主要由通態時MOSFET的等效電阻、斷態漏電流（等效電阻）、MOSFET的溫度及主電路走線電阻不一致造成。

1.1.1通態參數影響

兩個特性不一致的器件MOSFET1和MOS?FET2串聯運行時的電壓分配情況如圖1所示。

圖1　MOSFET串聯電路

根據靜態時的電路原理可知：

由MOSFET串聯可得：

MOSFET溫度與導通電阻之間的關系如圖2所示，隨著溫度的升高，導通電阻增大。串聯的MOS?FET的溫度不同，導致導通電阻不同，進而影響通態導通壓降不同。雖然導通電阻具有正溫度系數，但是其溫度系數不大，當導通電阻相差很大時，其通態導通壓降會很大。

圖2　MOSFET溫度與導通電阻關系圖

1.1.2斷態參數影響

當MOSFET處于完全斷態時，其內部的PN結處于反偏狀態，漏源極之間只有微弱的漏電流流過或者無電流流過，在斷態電壓的作用下，相當于一個大電阻。而由于MOSFET器件在制造時的差異性，造成器件本身PN結特性的不一致，從而使得斷態時串聯MOSFET中各個器件上的漏電流大小不同（等效電阻不同）。這樣在關斷狀態時，整個串聯閥中各個器件上的電壓分布也不均衡。

當MOSFET器件處于斷態時，其漏電流會隨著溫度的增加而顯著增大。一個MOSFET器件的結溫從25℃增加到125℃時，其漏電流可能會增加到10倍以上，從而其等效電阻將急劇減小。因此串聯MOSFET中各個器件上的溫度如有較大的差異，將會造成各器件上電壓分布的嚴重不平衡。所以，導通電阻和MOSFET溫度是影響靜態電壓不均衡的主要因素。因此要選擇導通電阻和等效電阻不均性小的器件進行串聯使用。

1.2動態均壓

在動態過程中，器件上會經歷急劇的電壓、電流變化給器件造成很大的應力，并且這個過程一般比穩態過程的時間要短得多，所以對其控制也更加困難。動態電壓不均則是由于功率器件的開通時間和關斷時間不一致所造成的。造成開關時間不一致的主要因素有：元器件參數特性的不均性；主電路走線與配線電感不均性，即線路雜散電感；驅動延時及門極振蕩（寄生參數）。

驅動電路的設計應保證觸發的同時性，因為當觸發信號的延遲能限制在0.3 μs以內時，不會引起嚴重的失衡過電壓問題。

對串聯MOSFET器件組成的閥來說，關斷延時時間短的MOSFET具有較大的電壓上升率，而關斷延時時間長的MOSFET具有較小的電壓上升率。如此，先關斷的MOSFET將分擔較大的電壓，而后關斷的MOSFET將分擔較小的電壓。

1.3MOSFET串聯使用原則［7］

1.3.1功率器件的選擇

通過選擇具有正溫度系數、同型號、同批次并且內部參數分散小的MOSFET，提高器件參數的一致性，使靜態均壓達到最好。

1.3.2對稱布局的設置

串聯單元的功率回路和驅動回路印制電路板設計時要合理對稱布局，功率管盡量靠近且對稱，驅動回路各引線長度盡量等長且盡量加粗和縮短，已提高并聯MOSFET的均壓效果。

1.3.3寄生振蕩的消除

柵極去耦電阻、柵極引線電感、源極引線電感、漏極引線電感等寄生電感和電路結構對電壓均分也有重要影響。通過在每個功率管的柵極串入鐵氧體磁珠，同時增加一個小電阻，降低電路的品質因數，消除寄生振蕩。

1.3.4耦合方式的分布

串聯MOSFET的柵極采用非直接耦合，同時將串聯器件放置在同一散熱裝置上，加強各并聯器件之間的熱耦合。此外，散熱裝置接大地，減小功率器件與散熱器之間的分布電容對驅動的影響。

1.3.5應用裕量的降額

即使MOSFET器件的選擇、優化布局及消除寄生振蕩已達到最優，但其靜態和動態性能仍不可能達到理想的均衡。同時考慮使用環境、運行環境及器件壽命等因素要求，在使用MOSFET時要留有足夠的裕量。

2　MOSFET串聯反激電路設計

根據上述設計原則，設計了一款直流輸入電壓（405 V～615 V）DC，多路輸出電壓的電力工程輔助電源，其輸入電路采用2只MOSFET串聯，型號為FQPF6N90C，電路拓撲原理如圖3所示［6，8］。

圖3　反激DC/DC拓撲原理框圖

2.1箝位電路設計［9-10］

（1）箝位電壓

其中：k為降額使用系數；V（BR）DSS為功率管的漏源極擊穿電壓；Vin max為直流輸入電壓最大值。

（2）箝位電阻

根據箝位電阻損耗的能量等于漏感中存儲的能量和副邊折射到原邊電壓提供的能量之和，可以得到：

其中：VOR為副邊折射到原邊的電壓；llk為變壓器原邊漏感；fs為開關頻率；Ids-peak為原邊峰值電流。

（3）箝位電容

功率管關斷時，漏感中存儲的能量轉移到電容中，可以得到：

2.2緩沖電路設計

（1）緩沖電容

其中：Csx為緩沖電容；ls為寄生電感和漏感之和；Ids-off為功率管關斷電流；VDSP為緩沖電容達到的最大電壓值；E為功率管關斷后的穩態電壓。

（2）緩沖電阻

在功率管下一次關斷之前將存儲在緩沖電容中能量釋放掉，即

2.3MOSFET驅動電路設計

驅動電路采用控制芯片UC3845，輸出1路驅動PWM波，然后經驅動芯片IXDN409SI及PBSS4540Z和PBSS5540Z組成的達林頓方式增加驅動能力，再經隔離驅動變壓器后，驅動電路驅動2只串聯的MOSFET，如圖4所示。

圖4　2只串聯MOSFET的驅動波形

3　實驗

研制出的電力工程輔助電源，輸入電壓為405 V～ 615 V DC，控制電壓為15 V左右，輸出電壓為5 V和12 V，采用自冷設計。測試儀器：數字示波器為MS03014，隔離差分探頭P5200，溫槍RAYST20XBAP。

2只MOSFET驅動的開通及關斷一致性較好，如圖5所示，從而確保了功率管的開通及關斷一致性，為系統的穩定性、可靠性提供了有力保證。串聯MOSFET的電壓波形一致性好，如圖6所示，且受干擾較小，證實了MOSFET均壓及箝位效果好。

圖5　2只串聯MOSFET的驅動波形

圖6　2只串聯MOSFET的電壓波形

從上電開機、穩定工作到烤機兩小時的過程中，測試2只串聯MOSFET的溫度，如圖7所示。通過測試表明，2只MOSFET管的溫度較為接近，近一步表明功率管的串聯設計具有很好的均壓性能。

圖7　2只并聯MOSFET的溫度曲線

根據MOSFET串聯使用的原則，結合反激DC/DC變換器拓撲，采用RCD箝位電路技術，設計的電力工程輔助電源已經在變電站系統、鐵路牽引站系統中使用，運行穩定，故障率低，成本低，得到了用戶的好評，市場競爭力很強，同時對輸入高壓小電流的應用場合的設計具有借鑒意義。

［1］錢敏，徐鳴謙，米智楠.功率MOSFET并聯驅動特性分析［J］.

4　結論

半導體技術，2007，32（11）：951-956.

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尹強（1984-），男，山東臨沂，碩士，工程師，主要從事電能變換技術研究及發電廠、變電站直流電源技術的研究應用，yin-1-qiang@163.com；

任曉丹（1986-），女，河南濮陽，碩士，工程師，主要從事電能變換、充電技術及監控技術領域的研究，renxiaodandy@ 126.com。

Application of Electricity Engineering Power Sources Based on Series MOSFETs*

YIN Qiang，REN Xiaodan*，XIONG Zecheng
（Xu Ji Power CO.，LTD.，Xu Ji Group Corporation，Xuchang Henan 461000，China）

The requirements of high power density and high efficiency are proposed with the development of power electronic technology in electric power system.The theory of static voltage sharing and dynamic voltage sharing for series MOSFETs is analyzed.The topology of flyback DC/DC converter is adopted.The technology of RCD snubber circuit is used.The electricity engineering power sources is designed based on series MOSFETs technology.The ex?perimental results and practical application show that the design is reliable in operating and the market competitive?ness is strong.

MOSFET；series；static voltage sharing；dynamic voltage sharing；flyback

TM910.3

A

1005-9490（2016）02-0420-05

EEACC：821010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.035

項目來源：國家電網公司總部科技項目

2015-05-06修改日期：2015-06-23