PCB设计功率MOSFET并联使用(yòng)

2020-11-03

在强悍的动力系统设计者应该知道所有(yǒu)关于MOSFET和他(tā)们的特殊電(diàn)气特点，但与MOSFET的阵列工作还可(kě)以另有(yǒu)一个兽。您可(kě)能(néng)会在電(diàn)源转换系统中看到的一种布置是并联放置多(duō)个功率MOSFET。这样可(kě)以减轻多(duō)个MOSFET的负载，以减轻系统中各个晶體(tǐ)管的负担。

不幸的是，MOSFET（通常是非線(xiàn)性元件）不能(néng)像并联一组電(diàn)阻一样简单地在它们之间分(fēn)配電(diàn)流。就像在单个MOSFET中一样，现在热量也成為(wèi)考虑因素，因為(wèi)它决定了MOSFET的阈值行為(wèi)（同样，这适用(yòng)于任何实际的非線(xiàn)性電(diàn)路）。為(wèi)了了解这些组件在这种排列方式下如何相互作用(yòng)，我们需要查看MOSFET芯片内部以及并联的功率MOSFET之间存在的寄生效应，以便防止组件自毁。

使用(yòng)并联MOSFET

与線(xiàn)性或非線(xiàn)性其他(tā)任何组件一样，同一组件或電(diàn)路网络的多(duō)个组件可(kě)以并联连接。对于功率MOSFET，BJT或原理(lǐ)图中的其他(tā)组件组也是如此。对于必须在两个端子上供電(diàn)的MOSFET等3端子设备，所涉及的配置可(kě)能(néng)不太直观。下图显示了一个電(diàn)源转换器的示例，其中四个MOSFET在转换器的输出侧并联连接。

DC-DC转换器系统中并联的四个功率MOSFET。

请注意，每个MOSFET的栅极上都有(yǒu)一个小(xiǎo)電(diàn)阻（稍后我将解释原因）。VG_PWM端口上还有(yǒu)一个来自同步驱动器的栅极脉冲，用(yòng)于同时切换每个MOSFET。换句话说，这些MOSFET并非以级联方式驱动；它们被驱动使得它们全部导通并允许電(diàn)流在同一时刻流动。

以这种方式连接MOSFET的优势在于，每个MOSFET均可(kě)用(yòng)于向负载提供较低的電(diàn)流。换句话说，假设每个MOSFET的导通状态電(diàn)阻相同，则总電(diàn)流在每个MOSFET中平均分(fēn)配。这允许每个功率MOSFET提供高電(diàn)流，同时仍具有(yǒu)高電(diàn)流裕度，从而减少了它们产生的热量。

并联功率MOSFET的典型分(fēn)析中没有(yǒu)包括两点：MOSFET中的寄生效应。寄生效应已经在实际组件中造成带宽限制，滤波或谐振效应。但是，当我们有(yǒu)多(duō)个由高频PWM信号并行驱动的功率MOSFET时，它们的寄生效应会相互影响，从而增加了开关期间产生不希望有(yǒu)的振荡的可(kě)能(néng)性。然后，这将显示為(wèi)系统输出上的故障，并可(kě)能(néng)导致受害MOSFET过热。

并行模拟功率MOSFET

当您有(yǒu)多(duō)个并联的功率MOSFET时，并且您想要模拟可(kě)能(néng)产生寄生振荡的情况时，可(kě)以為(wèi)您的特定MOSFET构建一个带有(yǒu)栅极驱动器的简单電(diàn)路。确保已将适当的仿真模型附加到组件上，其中该模型包括组件中各个引脚之间的杂散電(diàn)容。下面显示了一个在源侧负载的示例電(diàn)路。

使用(yòng)简单的栅极驱动器電(diàn)路检查并联MOSFET的简单電(diàn)路。

二极管D1是布置在用(yòng)于NMOS晶體(tǐ)管的栅极驱动器電(diàn)路中的1N914二极管。从这里开始，您只需要执行瞬态分(fēn)析即可(kě)检查MOSFET传递给负载的電(diàn)流和功率。

请注意，此模拟中涉及一些数量：

PWM上升时间：这决定了PWM信号的带宽，应与MOSFET的规格相匹配

PWM频率：具有(yǒu)较高频率的PWM信号会从寄生電(diàn)容中看到较低的阻抗，这会将更多(duō)的功率注入到寄生反馈环路中，可(kě)能(néng)使系统谐振。

栅极電(diàn)压：由于MOSFET的响应取决于栅极電(diàn)压的大小(xiǎo)，因此，当PWM信号切换并行阵列时，将产生任何寄生振荡。

您可(kě)以在瞬态仿真中轻松发现寄生電(diàn)感和寄生電(diàn)容的影响。下例显示了当寄生電(diàn)容和電(diàn)感包含在仿真模型中时，上述一对MOSFET的结果。请注意，随着PWM信号的切换，在时域响应中可(kě)以清楚地看到较大的毛刺。

开关期间MOSFET中出现毛刺。

抑制不必要的振荡和温升

如前所述，如果温度不平衡，则这些有(yǒu)害振荡会在阵列中的不同MOSFET中产生。换句话说，一个MOSFET的谐振条件可(kě)能(néng)不同于另一个MOSFET。如果在给定的栅极電(diàn)压下，一个MOSFET在其他(tā)MOSFET之前经历了强烈的振荡，则该组件会自行损坏。因此，如果将这些组件串联连接，则最好将它们保持在相同的温度下。这可(kě)以通过在PCB布局中组件下方的大型散热器或平面层来完成。

改变谐振条件的另一种方法是在驱动電(diàn)路中放置一个栅极電(diàn)阻器（见上文(wén)，其中包括一个小(xiǎo)的5欧姆電(diàn)阻器）。半桥LLC谐振转换器中的MOSFET可(kě)能(néng)具有(yǒu)非常大的電(diàn)阻器，该電(diàn)阻器连接了源极和栅极以在这两个端口之间提供高阻尼。您可(kě)以试验这些電(diàn)阻值，以检查它们如何影响并联電(diàn)路中的阻尼。