回復：功率MOSFET并聯(lián)應用

MOSFET以其開關速度快，導通電阻低等優(yōu)點在開關電源及電機驅動等領域中得到了廣泛應用，如電動自行車、電動汽車、電工工具、電動割草機的驅動器中均廣泛地應用了MOSFET。 在大功率應用場合，往往需要多個MOSFET并聯(lián)使用。由于驅動電路、器件參數(shù)和電路布局等的不一致，必將引起流過各并聯(lián)的MOSFET電流不均衡成使MOSFET漏極承受不同的電壓，器件可能因過電壓、過電流而損壞。另外，在并聯(lián)電路中如果驅動電路設計不當有可能會引發(fā)寄生振蕩，導致器件因過壓而損壞。因此本文對并聯(lián)使用MOSFET時應注意的問題作了詳細的介紹和分析，并給出解決方法。

1. MOSFET并聯(lián)時的電流和電壓不均衡

眾所周知，MOSFET的Rds(on)為正溫度系數(shù)，Rds(on)隨著溫度的升高而升高，因此從這一點講MOSFET適宜并聯(lián)使用(并聯(lián)使用中MOSFET具有自動均流的能力)。但是MOSFET通常都工作在PWM開關模式，在開關的動態(tài)過程中有很多因素影響其電流和電壓的均衡性，而且頻率越高這種影響就越明顯。

在動態(tài)開關過程中造成電流和電壓不均衡的因素有門檻電壓、轉移特性、柵極電荷、導通電阻、線路寄生電感，驅動電路參數(shù)等。其中門檻電壓、轉移特性、柵極電荷、導通電阻等是由MOSFET在生產(chǎn)加工過程中形成的，在應用中我們無法改變MOSFET的這些自身參數(shù)，最多通過篩選來獲得較好的一致性，但這會增加成本。最有效的辦法是在設計時通過合理的驅動電路來保證MOSFET在工作時的電流和電壓均衡性。

1.1. MOSFET自身參數(shù)引起的電流不平衡

Vgs(th)：由于并聯(lián)MOSFET使用的是同一柵極驅動信號，門檻電壓低的MOSFET在開通時先于門檻電壓高的MOSFET開通，從而流過較大電流，造成電流的不平衡。

gfs：由于MOSFET在開通過程和關斷過程中工作于飽和區(qū)，其漏極電流由柵極電壓控制，因此具有不同跨導的MOSFET在開通與關斷過程中電流也會不平衡。

Qg：MOSFET的柵極電荷Qg對MOSFET的開通速度有著一定的影響。當多個MOSFET并聯(lián)時，Qg小的MOSFET開關速度快，Qg大的MOSFET開關速度慢，這樣也會造成流過MOSFET的電流不平衡。

1.2.驅動電路布線引起的電流不平衡

如圖1所示驅動電路，Q1與Q2并聯(lián)使用，其中Q1柵極加入驅動電阻R1, Q2柵極直接與驅動電阻R3相連，這樣兩個并聯(lián)的MOSFET柵極驅動電阻就不平衡。

圖1 驅動電路具有不平衡的驅動電阻

圖2a 開通波形

圖2b 關斷波形

由圖2可以看出如果使用不對稱驅動電阻，會導致MOSFET的柵極電壓波形不對稱，因此流過MOSFET的電流也不一樣。任何并聯(lián)的MOSFET都需要對稱的驅動電路，才能保證其在開通和關斷的過程中保持電流平衡。在設計中我們應盡量使并聯(lián)的MOSFET具有相同的柵極驅動電阻。

1.3.驅動電路布線引起的電壓不平衡

在大功率高頻應用場合線路的寄生電感會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。特別是在并聯(lián)MOSFET時，過高的漏極電感會對MOSFET的應用產(chǎn)生不利的影響，嚴重時導致MOSFET提前失效。

圖3為MOSFET在并聯(lián)布線時引入了不等的漏極電感。假設Q1的漏極電感為40nH, Q2的漏極電感為20nH，使用AOT470的模型進行仿真。

圖3 不同漏極電感仿真原理圖

圖4 不同漏極電感仿真波形

MOSFET關斷時的漏極電壓應為電源電壓加上感應電壓Ldi/dt。 如果線路完全對稱，則關斷時兩個MOSFET的電流變化率di/dt相同，產(chǎn)生的感應電壓也應該相同，兩個MOSFET承受相同的電壓。

在漏極電感不同的情況下，由Ldi/dt的原因，在MOSFET的漏極上產(chǎn)生了不同的感應電壓，不同的漏極電壓反過來又影響了MOSFET關斷時的di/dt，最終導致Q1承受較高的漏極電壓。另外，由Q1的漏極電感L1較大，L1與AOT470的輸出電容Coss和線路的回路電阻產(chǎn)生RLC振蕩，電感越大振鈴幅值越高，如圖4中所示振鈴。這樣的振鈴和關斷時的感應電壓很容易超過MOSFET的額定電壓，從而造成MOSFET損壞。因此，在應用中我們應注意線路的寄生電感，布線時應使寄生電感盡量小并且對稱。

2.并聯(lián)MOSFET時振蕩的產(chǎn)生原因與抑制方法

在MOSFET并聯(lián)使用時有很多設計者喜歡將MOSFET的柵極直接并聯(lián)使用，事實上這樣容易引起MOSFET的驅動電壓振蕩，嚴重時振蕩的電壓幅值會超過MOSFET的柵板和漏極電壓，導致MOSFET因過壓而損壞。

2.1.產(chǎn)生振蕩的實例

圖6 并聯(lián)MOSFET有獨立驅動電阻時關斷波形

如圖5所示，當兩個MOSFET柵極直接并聯(lián)時，在MOSET開通和關斷時會產(chǎn)生振蕩，頻率約為150MHz。這樣的振蕩電壓疊加在棚極和漏極電壓上,很容易就超過器件的耐壓而使器件損壞。

如圖6所示，當兩個MOSFET柵極分別串聯(lián)獨立的驅動電阻時，MOSFET的柵極和漏極都未出現(xiàn)振蕩，而且由于串人的電阻相等，棚極和漏極的電壓波形幾乎相同，從而保證了并聯(lián)的MOSFET在工作中流過基本相等的電流。產(chǎn)品的可靠性大大提高。

2.2.原因分析

當MOSFET并聯(lián)時會形成如圖7所示的低阻抗回路。此回路由漏極電感、電容Cgd與柵極電阻組成，可以等效為RLC串聯(lián)電路:

RLC串聯(lián)電路的諧振頻率為:

RLC串聯(lián)電路的品質因數(shù)為:

由式(2)可知，回路的阻抗越小其品質因數(shù)就越高，回路的選頻特性就越好，振蕩的幅值也越高。因此為避免振蕩的產(chǎn)生，當回路的阻抗很小時我們可通過給柵極分別串相等的電阻來抑制振蕩。

圖7 MOSFET并聯(lián)時的模型

AOT474并聯(lián)時產(chǎn)生振蕩是因為其較小的CGD，較小的CGD使并聯(lián)回路的Q值較高。解決的方法是為每個并聯(lián)的MOSFET串聯(lián)10歐姆的柵極電阻從而降低Q值，這樣就可以抑制MOSFET的柵極振蕩，如圖6所示。

下面我們通過電路仿真來進一步說明為什么需要串聯(lián)電阻來抑制振蕩。

我們采用AOT474的參數(shù)來設置仿真模型參數(shù)。由AOT474數(shù)據(jù)手冊可知，AOT474的內部柵極電阻為2.8歐姆，CGD電容為36pF。假設實際回路的寄生電感為60nH。當MOSFET柵極直接并聯(lián)時，柵極電阻和CGD電容串聯(lián)后的等效電路如8a所示，如果在柵極各串聯(lián)10歐姆的電阻，則等效回路如圖8b所示。

圖8a 柵極直接相連RLC回路模型 圖8b 柵極各串聯(lián)10歐姆電阻RLC回路模型

通過對圖8電路進行交流小信號仿真分析，仿真結果如圖9所示。可以看出紅色Q曲線(對應圖8a電路)的品質因數(shù)Q很高，且諧振點在150MHz附近，這與實際測得波形相吻合。在各串聯(lián)10歐姆的柵極電阻后，其Q曲線比較平坦，如圖9中藍色曲線所示，這樣電路在工作中就不會產(chǎn)生振蕩，可以獲得較好的柵極驅動波形。

3.結論

在實際使用中為了最大限度地獲得并聯(lián)均衡，應該從以下幾方面考慮：

3.1.選用同型號同批次的器件加以并聯(lián)；

3.2.根據(jù)不同的MOSFET選用相等的獨立柵極驅動電阻；

33.電路布局對稱并盡可能緊湊，連線長度相同且盡量減短加粗，使漏極寄生電感盡可能小。