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技術(shù)專題
PCB設(shè)計(jì)功率MOSFET并聯(lián)使用
在強(qiáng)悍的動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)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獸。您可能會在電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中看到的一種布置是并聯(lián)放置多個功率MOSFET。這樣可以減輕多個MOSFET的負(fù)載，以減輕系統(tǒng)中各個晶體管的負(fù)擔(dān)。
不幸的是，MOSFET（通常是非線性元件）不能像并聯(lián)一組電阻一樣簡單地在它們之間分配電流。就像在單個MOSFET中一樣，現(xiàn)在熱量也成為考慮因素，因?yàn)樗鼪Q定了MOSFET的閾值行為（同樣，這適用于任何實(shí)際的非線性電路）。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(nèi)部以及并聯(lián)的功率MOSFET之間存在的寄生效應(yīng)，以便防止組件自毀。
使用并聯(lián)MOSFET
與線性或非線性其他任何組件一樣，同一組件或電路網(wǎng)絡(luò)的多個組件可以并聯(lián)連接。對于功率MOSFET，BJT或原理圖中的其他組件組也是如此。對于必須在兩個端子上供電的MOSFET等3端子設(shè)備，所涉及的配置可能不太直觀。下圖顯示了一個電源轉(zhuǎn)換器的示例，其中四個MOSFET在轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)并聯(lián)連接。
DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中并聯(lián)的四個功率MOSFET。
請注意，每個MOSFET的柵極上都有一個小電阻（稍后我將解釋原因）。VG_PWM端口上還有一個來自同步驅(qū)動器的柵極脈沖，用于同時切換每個MOSFET。換句話說，這些MOSFET并非以級聯(lián)方式驅(qū)動；它們被驅(qū)動使得它們?nèi)繉?dǎo)通并允許電流在同一時刻流動。
以這種方式連接MOSFET的優(yōu)勢在于，每個MOSFET均可用于向負(fù)載提供較低的電流。換句話說，假設(shè)每個MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)電阻相同，則總電流在每個MOSFET中平均分配。這允許每個功率MOSFET提供高電流，同時仍具有高電流裕度，從而減少了它們產(chǎn)生的熱量。
并聯(lián)功率MOSFET的典型分析中沒有包括兩點(diǎn)：MOSFET中的寄生效應(yīng)。寄生效應(yīng)已經(jīng)在實(shí)際組件中造成帶寬限制，濾波或諧振效應(yīng)。但是，當(dāng)我們有多個由高頻PWM信號并行驅(qū)動的功率MOSFET時，它們的寄生效應(yīng)會相互影響，從而增加了開關(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(tǒng)輸出上的故障，并可能導(dǎo)致受害MOSFET過熱。
并行模擬功率MOSFET
當(dāng)您有多個并聯(lián)的功率MOSFET時，并且您想要模擬可能產(chǎn)生寄生振蕩的情況時，可以為您的特定MOSFET構(gòu)建一個帶有柵極驅(qū)動器的簡單電路。確保已將適當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ透郊拥浇M件上，其中該模型包括組件中各個引腳之間的雜散電容。下面顯示了一個在源側(cè)負(fù)載的示例電路。
使用簡單的柵極驅(qū)動器電路檢查并聯(lián)MOSFET的簡單電路。
二極管D1是布置在用于NMOS晶體管的柵極驅(qū)動器電路中的1N914二極管。從這里開始，您只需要執(zhí)行瞬態(tài)分析即可檢查MOSFET傳遞給負(fù)載的電流和功率。
請注意，此模擬中涉及一些數(shù)量：
PWM上升時間：這決定了PWM信號的帶寬，應(yīng)與MOSFET的規(guī)格相匹配
PWM頻率：具有較高頻率的PWM信號會從寄生電容中看到較低的阻抗，這會將更多的功率注入到寄生反饋環(huán)路中，可能使系統(tǒng)諧振。
柵極電壓：由于MOSFET的響應(yīng)取決于柵極電壓的大小，因此，當(dāng)PWM信號切換并行陣列時，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(xiàn)寄生電感和寄生電容的影響。下例顯示了當(dāng)寄生電容和電感包含在仿真模型中時，上述一對MOSFET的結(jié)果。請注意，隨著PWM信號的切換，在時域響應(yīng)中可以清楚地看到較大的毛刺。
開關(guān)期間MOSFET中出現(xiàn)毛刺。
抑制不必要的振蕩和溫升
如前所述，如果溫度不平衡，則這些有害振蕩會在陣列中的不同MOSFET中產(chǎn)生。換句話說，一個MOSFET的諧振條件可能不同于另一個MOSFET。如果在給定的柵極電壓下，一個MOSFET在其他MOSFET之前經(jīng)歷了強(qiáng)烈的振蕩，則該組件會自行損壞。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。這可以通過在PCB布局中組件下方的大型散熱器或平面層來完成。
改變諧振條件的另一種方法是在驅(qū)動電路中放置一個柵極電阻器（見上文，其中包括一個小的5歐姆電阻器）。半橋LLC諧振轉(zhuǎn)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端口之間提供高阻尼。您可以試驗(yàn)這些電阻值，以檢查它們?nèi)绾斡绊懖⒙?lián)電路中的阻尼。