功率MOSFET并聯(lián)均流問(wèn)題研究

關(guān)鍵詞：功率MOSFETS；多管并聯(lián)；高頻；Q軌跡

引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，功率MOSFET以其高頻性能好、開(kāi)關(guān)損耗小、輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小、驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)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(wèn)題。從理論上講，功率MOSFET的擴容可以通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)兩種方法來(lái)實(shí)現，實(shí)際使用中考慮到其導通電阻RDS(on)具有正溫度系數的特點(diǎn)，多采用多管并聯(lián)來(lái)增加其功率傳導能力。

1 影響功率MOSFET并聯(lián)均流的因素

在功率MOSFET多管并聯(lián)時(shí)，器件內部參數的微小差異就會(huì )引起并聯(lián)各支路電流的不平衡而導致單管過(guò)流損壞，嚴重情況下會(huì )破壞整個(gè)逆變裝置。影響并聯(lián)均流的因素包括內部參數和外圍線(xiàn)路參數。

1.1 內部參數對并聯(lián)均流的影響

影響功率MOSFET并聯(lián)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(huì )引起動(dòng)態(tài)和靜態(tài)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(lián)。

1.2 外圍線(xiàn)路參數對并聯(lián)特性的影響

MOSFET并聯(lián)應用時(shí)，除內部參數外，電路布局也是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。在頻率高達MHz級情況下，線(xiàn)路雜散電感的影響不容忽視，引線(xiàn)所處電路位置的不同以及長(cháng)度的很小變化都會(huì )影響并聯(lián)開(kāi)關(guān)器件的性能。影響功率MOSFET并聯(lián)均流的外電路[2]參數主要包括：柵極去耦電阻Rg、柵極引線(xiàn)電感Lg、源極引線(xiàn)電感Ls、漏極引線(xiàn)電感Ld等。在多管并聯(lián)時(shí)一定要盡量使并聯(lián)各支路的Rg及對應的各引線(xiàn)長(cháng)度相同。

圖2

2 Q值對并聯(lián)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(xiàn)路聯(lián)系起來(lái)，分析線(xiàn)路中各種寄生因素對并聯(lián)均流的影響。當N個(gè)功率MOSFET并聯(lián)工作時(shí)，假設各支路的Rg完全相同，柵漏源極連線(xiàn)長(cháng)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(xiàn)路電感。

2.1 Q值對器件工作狀態(tài)的影響

不同Q值下IRF150開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)漏電流iD和漏源電壓vDS曲線(xiàn)如圖1中實(shí)線(xiàn)所示。而在Q=Q2，Ls/Lx不同時(shí)，器件開(kāi)關(guān)時(shí)iD與vDS波形如圖1中虛線(xiàn)所示。

從圖1中實(shí)線(xiàn)可以看出，Q值越大，換向時(shí)間越短，開(kāi)通損耗越低但關(guān)斷損耗增大；從圖1中虛線(xiàn)可以看出在線(xiàn)路中引入源極電感，器件的開(kāi)關(guān)軌跡發(fā)生很大變化，開(kāi)通損耗增加而關(guān)斷損耗減小。在高頻情況下，器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗對整個(gè)系統效率的提高至關(guān)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(guò)仿真軟件PSPICE分析外圍線(xiàn)路中各種寄生參數對并聯(lián)均流的影響。

圖3

2.2 Q值對雙管并聯(lián)均流影響的仿真分析

雙管并聯(lián)電路如圖2所示。選用APT公司生產(chǎn)的APT6013LLL做為開(kāi)關(guān)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(dòng)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(wú)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(xiàn)電感，Rg1=Rg2=Rg是柵極去耦電阻?？紤]到實(shí)驗中多用短而粗的雙股絞線(xiàn)來(lái)減小線(xiàn)路寄生電感，所以，仿真時(shí)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(lián)兩管的漏電流iD波形如圖3所示。

從圖3可以看出，并聯(lián)兩管的閾值電壓不同會(huì )引起兩管不均流，Q值較大時(shí)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(lián)不均流得到改善，但Ls越大器件關(guān)斷時(shí)間越長(cháng)。在設計中，并聯(lián)器件源極電感保持一致是必須的，尋找最優(yōu)的Ls（即Ls/Lx）使得并聯(lián)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(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中電流不均衡的仿真分析結果。其中Δi=iD1－iD2，為并聯(lián)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(shí)，開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)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(dòng)態(tài)電流分布的影響

3 實(shí)驗驗證

實(shí)驗線(xiàn)路同圖2，線(xiàn)路布局完全對稱(chēng)，實(shí)驗采用IRFP450做為開(kāi)關(guān)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(jīng)過(guò)三相整流輸出的VDD=95V，R1=50Ω，驅動(dòng)電壓幅值為15V，占空比為65％頻率約為1MHz。

實(shí)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(gè)MOSFET并聯(lián)運行時(shí)，漏極電流iD波形如圖5所示。

從圖5可以看出，在同一驅動(dòng)信號作用下，由于并聯(lián)兩管內部參數存在差異，導致了電流的不均衡和開(kāi)關(guān)時(shí)間的不同時(shí)，使兩管承受的通斷損耗也出現較大差異，極有可能會(huì )造成開(kāi)關(guān)過(guò)程中單管負擔過(guò)重，以致電流過(guò)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(lián)應用時(shí)動(dòng)態(tài)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(shí)，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(shí)，在電感上會(huì )引起附加的di/dt，它能夠通過(guò)調整器件的柵極電壓阻止動(dòng)態(tài)電流的進(jìn)一步不均衡，大大改善了并聯(lián)兩管的動(dòng)態(tài)均流特性。然而，這種方法增加了器件開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗，而且源極電感過(guò)大會(huì )引起器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間過(guò)長(cháng)而不利于高頻使用。因此，多管并聯(lián)時(shí)可以引入適當的源極電感，又不宜太大。

4 結語(yǔ)

當功率MOSFET多管并聯(lián)時(shí)，最根本的方法是選用內部參數完全一致的進(jìn)行并聯(lián)，通過(guò)緊密布局和器件的對稱(chēng)布局來(lái)減少雜散電感，消除寄生振蕩。在實(shí)際使用中為了最大限度地獲得并聯(lián)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(lián)；

2）使用同一個(gè)驅動(dòng)源和獨立的柵極電阻消除寄生振蕩；

3）電路布局對稱(chēng)并盡可能緊湊，連線(xiàn)長(cháng)度相同且減短加粗并使用雙股絞線(xiàn)；

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