摘 要:對作用在C類狀態(tài)下頻率為MHz以上的功率MOSFET并聯(lián)均流情況進(jìn)行了研究，分析功率MOSFET并聯(lián)時造成不均流的各種因素，著重解析穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)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(jié)果表明，使用參數(shù)盡量一致的MOSFET管對稱分布進(jìn)行并聯(lián)，并采取合理的電路布局，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)能獲得較好的均流效果。

關(guān)鍵詞:功率MOSFET; 暫態(tài)均流; PSpice仿真; 對稱分布

中圖分類號:TN75 文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)通電流很小，為獲得大的電流容量，通常采取多個MOSFET管并聯(lián)的方式，進(jìn)而獲得較大的功率。因而，并聯(lián)MOSFET適合于在低電壓、大電流下工作。

MOSFET 的漏電流具有負(fù)溫度系數(shù)，具有自動均流和均溫作用。理論上并聯(lián)時無需使用平衡各器件電流的限流電阻和溫度補(bǔ)償電路，但由于MOSFET自身參數(shù)及電路參數(shù)不匹配，將導(dǎo)致器件并聯(lián)應(yīng)用時出現(xiàn)電流分配不均的問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致MOSFET過載而損壞。因此并聯(lián)分流的研究很有意義。

1 影響并聯(lián)均流的因素

功率MOSFET的并聯(lián)應(yīng)用中，最為關(guān)鍵的是固體器件之間穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電流的平衡問題。

1.1 穩(wěn)態(tài)均流問題

穩(wěn)態(tài)指功率MOSFET管已經(jīng)結(jié)束其開通過程，并進(jìn)入穩(wěn)定導(dǎo)通的工作狀態(tài)。影響靜態(tài)電流分配的主要因素是MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)，當(dāng)并聯(lián)連接的各器件導(dǎo)通電阻不匹配時，流過的電流與導(dǎo)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(tài)漏極電流的不均衡。但由于Rds(on)具有正溫度系數(shù)，分流較大的器件會因為電流的熱效應(yīng)結(jié)溫升高，使得Rds(on)增大，又使電流下降，這樣自動調(diào)節(jié)補(bǔ)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(tài)均流的問題[1-3]。

1.2 暫態(tài)均流問題

暫態(tài)電流不僅指開通和關(guān)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(tài)均流特性的器件參數(shù)包括開啟電壓Vgs(TH)、輸入電容Ciss和跨導(dǎo)gm。

并聯(lián)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(wěn)態(tài)時一致，同時關(guān)斷。這是因為功率MOSFET 器件的漏電流具有負(fù)溫度系數(shù)，典型值近似為-5 mV/℃;開啟電壓隨溫度的增加而下降，當(dāng)Id增大時，各管就自動均流了。

Id與柵源電壓之間的關(guān)系能準(zhǔn)確地反應(yīng)出開通與關(guān)斷過程中均流的程度，即跨導(dǎo)?？梢杂孟率奖硎?

gm=ΔId/ΔVgs

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

Id=(Vgs-Vth)gm

由此可見，跨導(dǎo)大的管子先導(dǎo)通，且完全導(dǎo)通后承擔(dān)的電流多，這樣會導(dǎo)致局部電流不平衡而過載。但是由于垮導(dǎo)也隨溫度的增加而下降，溫度系數(shù)為-2，因而一定程度上也能緩和電流的不平衡。理想的狀態(tài)是并聯(lián)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(dǎo)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(shù)分散性盡可能小，轉(zhuǎn)移特性基本一致的管子，并使其工作在安全區(qū)域之內(nèi)[2-5]。

輸入電容Ciss對開關(guān)通斷時間有嚴(yán)重的影響，不匹配會導(dǎo)致兩管的柵極電壓到達(dá)開啟電壓的時間不同，而在關(guān)斷時大的管子放電時間較長，造成開關(guān)時電流分配不均衡而出現(xiàn)故障?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)柵極電阻來緩解這一狀況[6]。

影響暫態(tài)均流的主要電路參數(shù)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(jié)構(gòu)也會對電流的均勻分配有一定的影響。在高頻電路中，動態(tài)過程的分析相當(dāng)復(fù)雜，通常用仿真實驗來解決。圖1為2個MOSFET并聯(lián)時的仿真電路。

圖1 MOSFET雙管并聯(lián)仿真電路圖

實驗采用美國摩托羅拉半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MTH13N50作為開關(guān)器件，其最高耐壓為500 V，最大連續(xù)漏電流為13 A，導(dǎo)通電阻為0.4 Ω。驅(qū)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(fù)載R3=75 Ω;D為續(xù)流二極管;負(fù)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(jié)果如圖2~圖6所示。

當(dāng)R1=10.5 Ω，R2=10 Ω，其他參數(shù)完全一致時，并聯(lián)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(dǎo)致不均流，柵極電阻小的不僅先開通，也先關(guān)斷，而且當(dāng)柵極電阻取得較小且不一致時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩。柵極電阻小的管子在導(dǎo)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(lián)了一個小電阻，從而對柵極電阻小的管子進(jìn)行柵極電阻補(bǔ)償，降低電路的品質(zhì)因數(shù)，從而改善了均流效果。串聯(lián)效果圖如圖3所示。

圖3 串聯(lián)效果圖

在兩管柵極間串聯(lián)一個2 Ω電阻后的漏極電流波形如圖4所示。

圖4 串聯(lián)小電阻后的兩管漏電流波形

可見，引入串聯(lián)電阻后，兩管的漏電流基本達(dá)到了一致，實現(xiàn)了均流的效果。當(dāng)Ls1=25.5 nH，Ls2=15 nH，R1=R2=10.5 Ω，其他參數(shù)都一致時，結(jié)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(dǎo)通，且在整個導(dǎo)通過程中流過的電流較大，關(guān)斷也比較早，而且當(dāng)源極電感的差異較大時，并聯(lián)兩管的漏極會出現(xiàn)寄生振蕩。這種情況下容易導(dǎo)致并聯(lián)中管子的開通關(guān)斷不一致，而失去了并聯(lián)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)Rg后的漏電流波形

直接調(diào)整器件的柵極電阻，以阻止動態(tài)電流的進(jìn)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(guān)時間過長，而不利于高頻的使用。所以在高頻下進(jìn)行并聯(lián)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(fā)現(xiàn)，柵極引線電感的不一致對并聯(lián)兩管的均流也有一定影響，使得兩管開通不同時，且關(guān)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(guān)斷時的電流差也就越大。另外，引線的電感越大，關(guān)斷產(chǎn)生的振蕩越厲害，這也是需要避免的。因此，在應(yīng)用時，應(yīng)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(lián)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(diǎn)。圖8為ARF461轉(zhuǎn)移特性曲線和折線化后轉(zhuǎn)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(lián)均流問題進(jìn)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(jù)以上各個參數(shù)對并聯(lián)均流的影響，試驗中MOSFET嚴(yán)格地對稱并聯(lián)，通過對電路的調(diào)整以及參數(shù)的調(diào)節(jié)，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(zhuǎn)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(yīng)用中，為了最大限度地獲得并聯(lián)均流，應(yīng)該從以下幾個方面考慮:

(1) 盡量挑選同型號同批次且內(nèi)部參數(shù)分散性較小的管子進(jìn)行并聯(lián)。

(2) 采用合理的電路布局，并聯(lián)的MOSFET盡量對稱布局，各個器件應(yīng)是完全相等的布線，從柵極驅(qū)動器的共同輸出點(diǎn)到柵極端口的引線長度應(yīng)該相等，從 MOSFET管源極端子到共同結(jié)點(diǎn)的引線長度也應(yīng)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(dāng)具有獨(dú)立外殼的MOSFET管并聯(lián)工作時，應(yīng)置于同一個散熱片上，并且盡量靠近。

3 結(jié) 語

當(dāng)功率 MOSFET 多管并聯(lián)時，最根本的方法是選用內(nèi)部參數(shù)完全一致的器件進(jìn)行并聯(lián)，通過緊密布局和器件對稱布局，減小雜質(zhì)電感和分布電容，并通過調(diào)節(jié)柵極電阻，降低其品質(zhì)因數(shù)，以獲得較好的均流效果。本文的研究為它工作在C類狀態(tài)下，其工作頻率為MHz以上提供了電流保障。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇娟，王華民，冷朝霞.高頻 MOSFET并聯(lián)運(yùn)行及驅(qū)動特性研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2003，19(4):352-355.

[2]周慶紅，王華民，劉慶豐，等.功率 MOSFEI并聯(lián)均流問題研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2005，8(1):1-4.

[3]BAGHERI B， IUN A， SCOTT L R. Parallel 3-D MOSFET simulation[ C ]//Proceedings of the Twenty-Seventh An-nual Hawaii International Conference on System Sciences. USA: Hawaii， 1994:46-54.

[4]SHENAI K. A circuit simulation model for high-freyaency power MOSFET′s[J].IEEE Transaction on Power Electronice，1991，6(3):539-546.

[5]TOLE T， LOPEZ T， ELERICH R. Paralleing of power MOSFETs-steady state operation[J]. IEEE Vehicle Power and Propulsion， 2004， 17(6): 121-124.

[6]FORSYTHE J B. Paralleing of power MOSFETs for higher power output[EB/OL]. [2006-09-13]. Application note，www.irf.com.

[7]錢敏，徐鳴謙，米智楠.功率MOSFET并聯(lián)驅(qū)動特性分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007，32(11):951-956.

[8]張良，黃子平，劉承俊，等.MOSFET器件并聯(lián)實驗研究[J].通信電源技術(shù)，2007，24(6):5-11.

[9]劉平，宋慧娜，劉曉芳，等.MOSFET輸出電容的非線性對振蕩諧波的影響[J].微計算機(jī)信息，2007，23(32):116-121.

[10]嚴(yán)寒松，周偉松，王培清，等.高頻感應(yīng)加熱電源功率器件驅(qū)動電路[J].電力電子技術(shù)，2007，41(4):91-99.