功率MOSFET并聯均流問題研究

關鍵詞：功率MOSFETS；多管并聯；高頻；Q軌跡

引言

隨著電力電子技術的迅速發展，功率MOSFET以其高頻性能好、開關損耗小、輸入阻抗高、驅動功率小、驅動電路簡單等優點在高頻感應加熱電源中得到了廣泛的應用。但是，功率MOSFET容量的有限也成了亟待解決的問題。從理論上講，功率MOSFET的擴容可以通過串聯和并聯兩種方法來實現，實際使用中考慮到其導通電阻RDS(on)具有正溫度系數的特點，多采用多管并聯來增加其功率傳導能力。

1 影響功率MOSFET并聯均流的因素

在功率MOSFET多管并聯時，器件內部參數的微小差異就會引起并聯各支路電流的不平衡而導致單管過流損壞，嚴重情況下會破壞整個逆變裝置。影響并聯均流的因素包括內部參數和外圍線路參數。

1.1 內部參數對并聯均流的影響

影響功率MOSFET并聯均流的內部參數主要有閾值電壓VTH、導通電阻RDS(on)、極間電容、跨導gm等。內部參數差異會引起動態和靜態不均流。因此，要盡量選取同型號、同批次并且內部參數分散性較小的MOSFET加以并聯。

1.2 外圍線路參數對并聯特性的影響

MOSFET并聯應用時，除內部參數外，電路布局也是一個關鍵性的問題。在頻率高達MHz級情況下，線路雜散電感的影響不容忽視，引線所處電路位置的不同以及長度的很小變化都會影響并聯開關器件的性能。影響功率MOSFET并聯均流的外電路[2]參數主要包括：柵極去耦電阻Rg、柵極引線電感Lg、源極引線電感Ls、漏極引線電感Ld等。在多管并聯時一定要盡量使并聯各支路的Rg及對應的各引線長度相同。

圖2

2 Q值對并聯均流的影響

在此引入Q軌跡[3]把器件內部參數同其外圍線路聯系起來，分析線路中各種寄生因素對并聯均流的影響。當N個功率MOSFET并聯工作時，假設各支路的Rg完全相同，柵漏源極連線長度也各自相同。定義Q值如式（1）。

Q=IGLx （1）

式中：IG為工作區內的平均柵極電流；

Lx=Lss1＋Lss2＋Ld/N其中Lss1及Lss2為外圍線路電感。

2.1 Q值對器件工作狀態的影響

不同Q值下IRF150開通和關斷時漏電流iD和漏源電壓vDS曲線如圖1中實線所示。而在Q=Q2，Ls/Lx不同時，器件開關時iD與vDS波形如圖1中虛線所示。

從圖1中實線可以看出，Q值越大，換向時間越短，開通損耗越低但關斷損耗增大；從圖1中虛線可以看出在線路中引入源極電感，器件的開關軌跡發生很大變化，開通損耗增加而關斷損耗減小。在高頻情況下，器件的開關時間和開關損耗對整個系統效率的提高至關重要。從上面的分析可知器件理想的工作條件應該是在相對較高的Q值下。以下基于不同Q值，通過仿真軟件PSPICE分析外圍線路中各種寄生參數對并聯均流的影響。

圖3

2.2 Q值對雙管并聯均流影響的仿真分析

雙管并聯電路如圖2所示。選用APT公司生產的APT6013LLL做為開關器件,其最高耐壓為600V，最大連續漏電流為43A，輸入電容Ciss=5696pF，td(on)=11ns，tr=14ns，td(off)=27ns，tf=8ns，閾值電壓平均值為4V；驅動信號vgs是幅值為15V頻率為1MHz，占空比為50％的方波信號；外接直流電源VDD=100V；負載R為2Ω的無感電阻；D為續流二極管；Lg1=Lg2=Lg，Ld1=Ld2=Ld，Ls1=Ls2=Ls，分別為柵漏源極引線電感，Rg1=Rg2=Rg是柵極去耦電阻。考慮到實驗中多用短而粗的雙股絞線來減小線路寄生電感，所以，仿真時定義電路中的寄生電感Ld=Lg=Ls=10nH，負載寄生電感L=100nH。

仿真情況如下。

1）閾值電壓Vth相差0.7V，Rg=5Ω和Rg=10Ω(即Q1Q2)，其它參數均一致情況下，并聯兩管的漏電流iD波形如圖3所示。

從圖3可以看出，并聯兩管的閾值電壓不同會引起兩管不均流，Q值較大時均流特性比較好。

2）閾值電壓Vth相差0.7V，Rg=5Ω，Ls分別為22.5nH和5nH，其它參數均一致情況下,漏電流iD波形如圖4所示。

從圖4可以看出，引入源極電感Ls，并聯不均流得到改善，但Ls越大器件關斷時間越長。在設計中，并聯器件源極電感保持一致是必須的，尋找最優的Ls（即Ls/Lx）使得并聯均流特性最好。表1為閾值電壓Vth相差10％，其它參數均一致情況下，分別取不同Q和Ls/Lx，器件開通和關斷過程中電流不均衡的仿真分析結果。其中Δi=iD1－iD2，為并聯兩管漏電流相差最大處的差值。

由表1可以看出，當Ls/Lx=25％，Q=Q2時，開通和關斷過程器件的均流特性相對最好。

表1 內部特性參數不一致下，Q和Ls/Lx不同對器件動態電流分布的影響

3 實驗驗證

實驗線路同圖2，線路布局完全對稱，實驗采用IRFP450做為開關管，其基本特性參數：VDSS=500V，RDS(on)=0.4Ω，iD=14A，Crss=340pF，Ciss=2600pF，直流電壓是經過三相整流輸出的VDD=95V，R1=50Ω，驅動電壓幅值為15V，占空比為65％頻率約為1MHz。

實驗情況如下。

1）Rg=8.5Ω，未采取任何均流措施情況下，隨機取兩個MOSFET并聯運行時，漏極電流iD波形如圖5所示。

從圖5可以看出，在同一驅動信號作用下，由于并聯兩管內部參數存在差異，導致了電流的不均衡和開關時間的不同時，使兩管承受的通斷損耗也出現較大差異，極有可能會造成開關過程中單管負擔過重，以致電流過載而燒損。

2）使Rg=10.0Ω，其它條件不變，漏極電流iD波形如圖6所示。

調節柵極去耦電阻RG相當于調節柵極平均電流IG的大小。由圖6可知，增大RG引起功率MOSFET輸入電容的充、放電速度減慢，加劇了兩管并聯應用時動態電流的不均衡。因此，在保證柵極去耦的前提下，Rg應盡可能地小。

3）Rg=8.5Ω，適當增大Ls，且使Ls1=Ls2時，漏極電流iD波形如圖7所示。

由圖7可知，引入適當大小的源極電感，當電流突變時，在電感上會引起附加的di/dt，它能夠通過調整器件的柵極電壓阻止動態電流的進一步不均衡，大大改善了并聯兩管的動態均流特性。然而，這種方法增加了器件開關時的損耗，而且源極電感過大會引起器件的開關時間過長而不利于高頻使用。因此，多管并聯時可以引入適當的源極電感，又不宜太大。

4 結語

當功率MOSFET多管并聯時，最根本的方法是選用內部參數完全一致的進行并聯，通過緊密布局和器件的對稱布局來減少雜散電感，消除寄生振蕩。在實際使用中為了最大限度地獲得并聯均流，應該從以下幾方面考慮：

1）選用同型號同批次的器件加以并聯；

2）使用同一個驅動源和獨立的柵極電阻消除寄生振蕩；

3）電路布局對稱并盡可能緊湊，連線長度相同且減短加粗并使用雙股絞線；

4）適當增大Q值和選取適當大小的Ls/Lx，通過匹配外圍電路最大限度地獲得并聯均流結果。