串联使用(yòng)功率 MOSFET

2021-08-20

串联使用(yòng)功率 MOSFET

功率 MOSFET 支持大量電(diàn)子系统，特别是在 BJT 无用(yòng)或无效的情况下。MOSFET 可(kě)用(yòng)于并联排列的大電(diàn)流系统，但串联使用(yòng)又(yòu)如何呢(ne)？您通常不会在较小(xiǎo)的开关转换器中看到任何一种布置，因為(wèi)有(yǒu)许多(duō)现成的 MOSFET 可(kě)以提供所需的電(diàn)流而不会出现故障。然而，一旦您开始考虑使用(yòng)小(xiǎo)尺寸开关系统提供高電(diàn)压/高電(diàn)流，您就需要考虑 MOSFET 的这些布置。

MOSFET 的两种排列都有(yǒu)设计人员应考虑的缺陷。让我们看看串联的 MOSFET，因為(wèi)它们在某些系统中非常有(yǒu)用(yòng)，但在设计電(diàn)路和 PCB 时要小(xiǎo)心，以确保可(kě)靠性。

串联使用(yòng)功率 MOSFET

一系列串联的 MOSFET 将使其源极和漏极相互连接。这种布置随后可(kě)用(yòng)于驱动串联的低阻抗负载或并联的高阻抗负载。以下電(diàn)路图显示了最简单的 MOSFET 串联排列：

与负载组件串联的 MOSFET 的最简单電(diàn)路。

在该電(diàn)路中，VDD 根据基尔霍夫電(diàn)压定律分(fēn)布在两个 MOSFET 上。两者都必须在同一时刻开启，以便電(diàn)流流过负载。这基本上像与门一样运行，但可(kě)能(néng)在非常高的電(diàn)压或電(diàn)流下运行。

另一种可(kě)能(néng)的安排是在推挽安排中使用(yòng)串联 MOSFET，就像 CMOS 缓冲器一样：

MOSFET 与推挽式负载串联。

在这种类型的電(diàn)路中，只要顶部 MOSFET (M1) 导通，下部 MOSFET (M2) 就可(kě)以通过导通或关断来转移负载的電(diàn)流。这对于高阻抗负载来说是理(lǐ)想的，其中 M2 只是在负载不需要電(diàn)流时转移電(diàn)流。

您可(kě)以制定许多(duō)其他(tā)串联 MOSFET 示例。这些串联 MOSFET 阵列的一些应用(yòng)包括：

電(diàn)流馈電(diàn)逆变器

高压频闪仪

高压谐振槽路驱动器

用(yòng)于 Vg MOSFET 的推挽驱动器電(diàn)路

高压专用(yòng)逻辑缓冲器和放大器

多(duō)相开关驱动器

您会注意到，这些应用(yòng)包含“高電(diàn)压”一词是有(yǒu)充分(fēn)理(lǐ)由的，这与我们开始使用(yòng)串联元件的根本原因有(yǒu)关。要了解原因，将这些電(diàn)路与并联的 MOSFET 进行比较会有(yǒu)所帮助。

串联与并联 MOSFET

在之前的一篇文(wén)章中，我提出了一些关于并联放置和使用(yòng) MOSFET 的要点，以及可(kě)能(néng)导致这些電(diàn)路的一些電(diàn)气行為(wèi)。MOSFET 并联放置的主要原因是在所有(yǒu) MOSFET 同时导通时获得更大的電(diàn)流。由于这些晶體(tǐ)管并联放置，因此它们的输出電(diàn)流根据基尔霍夫電(diàn)流定律相加。这并不完全正确，因為(wèi)您需要添加一些小(xiǎo)電(diàn)阻来抑制任何寄生振荡，尤其是在高功率系统中。然而，并联電(diàn)路的类比效果很(hěn)好并且有(yǒu)效地描述了当整个阵列同时开启时会发生什么。

实际上，该阵列就像一个具有(yǒu)更大额定電(diàn)流但额定電(diàn)压相同的单个晶體(tǐ)管。这种布置是驱动大電(diàn)流電(diàn)机、為(wèi)大電(diàn)流开关稳压器或任何其他(tā)需要开关元件提供大量電(diàn)流的系统提供電(diàn)流的标准方式。由于一些重要原因，总電(diàn)压额定值的相同想法实际上并不适用(yòng)于串联 MOSFET。

串联 MOSFET 不能(néng)总是处理(lǐ)更高的電(diàn)压

在串联布置中，该组 MOSFET 将像单个大型 MOSFET 一样具有(yǒu)更高的额定電(diàn)压但额定電(diàn)流相同。这在实践中并不总是奏效。

要了解原因，请考虑上述電(diàn)路之一中 VDD = 100 V 的情况。我们可(kě)以想象使用(yòng)最大额定電(diàn)压為(wèi) 50 V 的相同 MOSFET；通过将它们串联，它们每个只会经历 50 V，而不是完整的 100 V。 现在考虑如果 M2 打开而 M1 关闭时会发生什么：M1 具有(yǒu)高 R_off 電(diàn)阻，因此它占用(yòng)整个 100 V 并且超过它的 50 V 额定值，随后它失败了。

串联排列的 MOSFET。

这应该说明了上面第一张图中驱动電(diàn)路的重要性：一切都需要在正确的时刻开启。如果您串联使用(yòng) MOSFET 来驱动電(diàn)感负载或谐振回路负载，强烈建议同时放置電(diàn)容器和一些 ESD 保护（例如，反激二极管）以防止大電(diàn)压尖峰损坏您的 MOSFET。

并联、串联还是两者兼而有(yǒu)之？

关于何时使用(yòng)并联或串联排列的 MOSFET 没有(yǒu)硬性规定。在具有(yǒu)高功率传输要求和需要快速开关（例如使用(yòng) PWM）的系统中，并联布置是标准配置。電(diàn)机驱动器電(diàn)路就是完美的例子。同时，高压输送需要串联阵列，而不一定是大電(diàn)流。如果您考虑一下，您当然可(kě)以使用(yòng)组合（多(duō)个串联阵列，全部并联放置），尽管因此您的驱动電(diàn)路会变得非常复杂。

显示串联和并联 MOSFET 组合的示例電(diàn)路图如下所示。我在这个图中留下了一个用(yòng)于负载和驱动電(diàn)路的块，后者可(kě)能(néng)非常复杂。这样的驱动系统需要一些逻辑和可(kě)能(néng)的快速反馈回路才能(néng)正常运行并确保在驱动阵列时每个串联支路都完全开启。

具有(yǒu)单个负载组件的串并联布置示例。

使用(yòng)串联和并联 MOSFET 启用(yòng)的另一个选项是多(duō)相开关。当每个并联 MOSFET 都以相同的 PWM 频率驱动，但它们在相位上是分(fēn)开的时，阵列表现為(wèi)以更高的频率驱动。这是在开关转换器中实现极低噪声操作的一种技巧。虽然您不能(néng)使用(yòng)串联的独立 MOSFET 阵列来做到这一点，但您可(kě)以将串联支路并联起来以创建如上所示的分(fēn)相驱动器。

这是一个非常有(yǒu)效的技巧，可(kě)以降低電(diàn)源系统中的噪声，同时仍以高频运行，例如在需要更高频率运行的 RF 電(diàn)源中。我计划在即将发布的文(wén)章中介绍多(duō)相電(diàn)源转换器，因為(wèi)这些转换器对于為(wèi)低噪声、高频模拟系统（例如RF 功率放大器）供電(diàn)至关重要。这是一个很(hěn)少讨论的電(diàn)源转换领域，它需要更复杂的驱动電(diàn)路，但在许多(duō)系统中它是一种有(yǒu)效的技术和标准拓扑。