PCB設計功率MOSFET并聯(lián)使用

2020-11-03

在強悍的動(dòng)力系統設計者應該知道所有關(guān)于MOSFET和他們的特殊電氣特點(diǎn)，但與MOSFET的陣列工作還可以另有一個(gè)獸。您可能會(huì )在電源轉換系統中看到的一種布置是并聯(lián)放置多個(gè)功率MOSFET。這樣可以減輕多個(gè)MOSFET的負載，以減輕系統中各個(gè)晶體管的負擔。

不幸的是，MOSFET（通常是非線(xiàn)性元件）不能像并聯(lián)一組電阻一樣簡(jiǎn)單地在它們之間分配電流。就像在單個(gè)MOSFET中一樣，現在熱量也成為考慮因素，因為它決定了MOSFET的閾值行為（同樣，這適用于任何實(shí)際的非線(xiàn)性電路）。為了了解這些組件在這種排列方式下如何相互作用，我們需要查看MOSFET芯片內部以及并聯(lián)的功率MOSFET之間存在的寄生效應，以便防止組件自毀。

使用并聯(lián)MOSFET

與線(xiàn)性或非線(xiàn)性其他任何組件一樣，同一組件或電路網(wǎng)絡(luò )的多個(gè)組件可以并聯(lián)連接。對于功率MOSFET，BJT或原理圖中的其他組件組也是如此。對于必須在兩個(gè)端子上供電的MOSFET等3端子設備，所涉及的配置可能不太直觀(guān)。下圖顯示了一個(gè)電源轉換器的示例，其中四個(gè)MOSFET在轉換器的輸出側并聯(lián)連接。

DC-DC轉換器系統中并聯(lián)的四個(gè)功率MOSFET。

請注意，每個(gè)MOSFET的柵極上都有一個(gè)小電阻（稍后我將解釋原因）。VG_PWM端口上還有一個(gè)來(lái)自同步驅動(dòng)器的柵極脈沖，用于同時(shí)切換每個(gè)MOSFET。換句話(huà)說(shuō)，這些MOSFET并非以級聯(lián)方式驅動(dòng)；它們被驅動(dòng)使得它們全部導通并允許電流在同一時(shí)刻流動(dòng)。

以這種方式連接MOSFET的優(yōu)勢在于，每個(gè)MOSFET均可用于向負載提供較低的電流。換句話(huà)說(shuō)，假設每個(gè)MOSFET的導通狀態(tài)電阻相同，則總電流在每個(gè)MOSFET中平均分配。這允許每個(gè)功率MOSFET提供高電流，同時(shí)仍具有高電流裕度，從而減少了它們產(chǎn)生的熱量。

并聯(lián)功率MOSFET的典型分析中沒(méi)有包括兩點(diǎn)：MOSFET中的寄生效應。寄生效應已經(jīng)在實(shí)際組件中造成帶寬限制，濾波或諧振效應。但是，當我們有多個(gè)由高頻PWM信號并行驅動(dòng)的功率MOSFET時(shí)，它們的寄生效應會(huì )相互影響，從而增加了開(kāi)關(guān)期間產(chǎn)生不希望有的振蕩的可能性。然后，這將顯示為系統輸出上的故障，并可能導致受害MOSFET過(guò)熱。

并行模擬功率MOSFET

當您有多個(gè)并聯(lián)的功率MOSFET時(shí)，并且您想要模擬可能產(chǎn)生寄生振蕩的情況時(shí)，可以為您的特定MOSFET構建一個(gè)帶有柵極驅動(dòng)器的簡(jiǎn)單電路。確保已將適當的仿真模型附加到組件上，其中該模型包括組件中各個(gè)引腳之間的雜散電容。下面顯示了一個(gè)在源側負載的示例電路。

使用簡(jiǎn)單的柵極驅動(dòng)器電路檢查并聯(lián)MOSFET的簡(jiǎn)單電路。

二極管D1是布置在用于NMOS晶體管的柵極驅動(dòng)器電路中的1N914二極管。從這里開(kāi)始，您只需要執行瞬態(tài)分析即可檢查MOSFET傳遞給負載的電流和功率。

請注意，此模擬中涉及一些數量：

PWM上升時(shí)間：這決定了PWM信號的帶寬，應與MOSFET的規格相匹配

PWM頻率：具有較高頻率的PWM信號會(huì )從寄生電容中看到較低的阻抗，這會(huì )將更多的功率注入到寄生反饋環(huán)路中，可能使系統諧振。

柵極電壓：由于MOSFET的響應取決于柵極電壓的大小，因此，當PWM信號切換并行陣列時(shí)，將產(chǎn)生任何寄生振蕩。

您可以在瞬態(tài)仿真中輕松發(fā)現寄生電感和寄生電容的影響。下例顯示了當寄生電容和電感包含在仿真模型中時(shí)，上述一對MOSFET的結果。請注意，隨著(zhù)PWM信號的切換，在時(shí)域響應中可以清楚地看到較大的毛刺。

開(kāi)關(guān)期間MOSFET中出現毛刺。

抑制不必要的振蕩和溫升

如前所述，如果溫度不平衡，則這些有害振蕩會(huì )在陣列中的不同MOSFET中產(chǎn)生。換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)MOSFET的諧振條件可能不同于另一個(gè)MOSFET。如果在給定的柵極電壓下，一個(gè)MOSFET在其他MOSFET之前經(jīng)歷了強烈的振蕩，則該組件會(huì )自行損壞。因此，如果將這些組件串聯(lián)連接，則最好將它們保持在相同的溫度下。這可以通過(guò)在PCB布局中組件下方的大型散熱器或平面層來(lái)完成。

改變諧振條件的另一種方法是在驅動(dòng)電路中放置一個(gè)柵極電阻器（見(jiàn)上文，其中包括一個(gè)小的5歐姆電阻器）。半橋LLC諧振轉換器中的MOSFET可能具有非常大的電阻器，該電阻器連接了源極和柵極以在這兩個(gè)端口之間提供高阻尼。您可以試驗這些電阻值，以檢查它們如何影響并聯(lián)電路中的阻尼。