MOSFET并联在高功率设计中的应用

 

在高功率电子设计中，为了满足更大的电流需求和提升系统可靠性，常常需要将多个MOSFET器件并联使用。

然而，MOSFET的并联应用并非简单的器件堆叠，它涉及诸多技术挑战，如电流均衡、热管理和驱动匹配等。本文将从专业的角度，详细探讨MOSFET并联在高功率设计中的原理、挑战、解决方案和实际应用。

随着电力电子技术的快速发展，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）以其开关速度快、导通电阻低和驱动简单等优势，广泛应用于开关电源、逆变器和电机驱动等领域。在高功率应用中，单个MOSFET可能无法承受所需的高电流或功率，因此，采用多个MOSFET并联的方式成为常见的解决方案。然而，MOSFET并联涉及复杂的电气和热设计挑战，必须谨慎处理。

MOSFET并联电机驱动

 

电路的MCU是输出直流信号，但它的驱动能力是有限的，如需要驱动较大功率MOS管，来产生大电流驱动电机，设计占空比大小比例达到调整转速目的。

电机驱动主要采用N沟道MOSFET构建H桥驱动电路，H桥是典型的直流电机控制电路，因为它的电路外形类似字母H，故曰“H 桥”。4个开关MOS组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。为使电机正常运转，电路要求对角线上的一对MOS是导通的，应用不同电流方向来达到控制电机正反转的目的。

 

 

MOSFET应用选型

 

 

TOLL选型参数表

为了便于研究MOSFET并联时的电流均流特性，进行了简化处理，研究了以下MOSFET并联时的均流特性。

 

 

 

MOSFET并联面临的挑战

 

 

阈值电压不匹配电流不均衡

由于制造工艺的差异，即使是同一批次的MOSFET，其阈值电压（VTH）、导通电阻（RDS(on)）和跨导（gm）等参数也存在偏差。这些差异会导致并联器件之间的电流分配不均，可能导致个别器件过载。

 

多管并联应用参数设计影响均流效果

当并联的两个MOSFETs具有相同的参数，如内在阈值电压（Vth）、Rg和Ciss时，它们的开通能量（Eon）和关断能量（Eoff）非常相似，功率损耗的差距仅为0.01W。当2号MOSFET被Vth较低的器件替换时，其Eon和Eoff显著增大，功率损耗比Vth较高的1号MOSFET器件高出1.87W，如表1所示。

Two MOSFETs parallel Test Result (Ton=250ns, Toff=100ns, Fs=10KHz)  ▲ 

MOSFET开关速度是影响电流平衡的另一个因素。在测试中，采用了更长的开通时间（Ton）和关断时间（Toff），以及较高的外部驱动电阻Rg，此时不同Vth的器件之间的功率损耗差距会变大，如表2所示。当关断时间为100ns时，Vth较低的2号MOSFET与1号MOSFET之间的总功率损耗差（包括开关损耗和导通损耗）约为1.87W；而当关断时间为300ns时，功率损耗差距将增大到4.46W。其原因在于，当关断时间更长时，两个MOSFET的Vgs达到Vth的间隔时间变长，从而使得功率损耗差距也变大。

根据测试结果，具有相同Vth值的MOSFET并联时，MOSFET外部驱动速度的快慢是实现更好电流平衡性能的关键因素。

Two MOSFETs Parallel Test Result (Ton=380ns, Toff=300ns, Fs=10KHz)  ▲

 

MOSFET栅极驱动不匹配电流不平衡

驱动参数的一致性，包括驱动回路的电阻、电容和电感，是影响电流平衡特性的另一个因素。

 

当两个MOSFET并联且其驱动回路的电容不同，具有较大输入电容（Ciss）的MOSFET的开通时刻将比另一个MOSFET延迟，这会导致具有较大Ciss的MOSFET的开通能量（Eon）较小。然而，关断过程则不同，较大的Ciss会导致关断时刻延迟，从而导致较大的关断能量（Eoff）。

 

通常情况下，当两个MOSFET并联时，具有较大Ciss的MOSFET的Eon较小，但Eoff较大。

 

MOSFET的输入电容或驱动回路对Eon和Eoff具有相反的影响。如果一个MOSFET的Ciss高于其他并联MOSFET的Ciss，其Eon将减小，而Eoff则会增大。实际上，在某些条件下，Eon和Eoff的总和可以进行权衡，进而达到最小值。因此，不同Ciss对电流平衡的影响可以忽略不计，如图1所示。在实际应用中，建议Toff应约为Ton的40%以实现最佳系统设计。

 Ciss Variation Ratio vs Switching Loss Gap | 1 图 ▲ 

 

 

驱动参数优化与电流共享

外部Rg选择对电流平衡的影响

 

栅极驱动回路的一致性将极大地影响电流平衡性能。驱动回路应保持一致，以满足电流平衡的要求。其次，为了满足系统效率的要求，开关速度应尽可能快。更快的开关速度将导致并联MOSFET之间的开关损耗差距变小，如图2所示。然而，快速的开关速度可能会引发过大的电压尖峰，如图3所示，因此电流平衡特性和电压尖峰之间存在权衡，在系统设计中应找到平衡点。

Differences in Total Switch Losses Under Different Rg | 2 图  ▲ 

 

Vds Spike Voltage vs Rgoff | 3 图  ▲

 

 

 

结论

 

 

在高电流并联应用中，影响电流一致性的因素主要来自两个方面：一是MOSFET参数的一致性，如Vth和Ciss；二是应用中驱动回路设计和功率回路设计的不一致性。对于MOSFET制造商来说，控制生产工艺以获得参数一致性至关重要。从应用角度来看，合适的驱动设计、一致的驱动回路和功率回路电感设计同样是确保电流一致性的关键因素。