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功率MOSFET并聯(lián)時(shí)產(chǎn)生寄生振蕩的原因與解決方法
  • 發(fā)布時(shí)間:2019-12-31 15:36:48
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功率MOSFET并聯(lián)時(shí)產(chǎn)生寄生振蕩的原因與解決方法
功率MOS管即功率MOSFET,具有熱漂移小,驅(qū)動(dòng)電路簡單,驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)速度快,工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。憑借出色的熱穩(wěn)定性,將多個(gè)功率MOSFET并聯(lián)的方法可行而簡單,這對(duì)提高輸出電流非常有意義。
事實(shí)上,MOSFET工作于高頻率開關(guān)狀態(tài),任何電氣特性差異和電路雜散電感均可導(dǎo)致瞬時(shí)電壓峰值,以及并聯(lián)MOSFET之間的電流分配不平衡。這是非常有害的,因?yàn)殡娏鞑黄胶饪赡軐?dǎo)致功率損耗過大并損壞器件。
功率MOSFET
并聯(lián)MOSFET(左)及寄生振蕩狀態(tài)的等效電路(右)
并聯(lián)連接時(shí),最重要的是避免電流集中(包括在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間),并確保在所有可能的負(fù)載條件下,流向所有MOSFET的電流保持平衡且均勻。應(yīng)特別注意以下方面:
(1) 因器件特性不匹配(并聯(lián)運(yùn)行)導(dǎo)致的電流不平衡。
(2) 寄生振蕩(并聯(lián)運(yùn)行)。
1. 器件不匹配導(dǎo)致的電流不平衡
(1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的電流不平衡
在非開關(guān)期間,按照與并聯(lián)MOSFET的導(dǎo)通電阻成反比的方式為其分配電流。導(dǎo)通電阻最低的MOSFET將承載最高的電流。導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)通常會(huì)為電流不平衡提供補(bǔ)償,使通過各個(gè) MOSFET的電流相等。
因此,認(rèn)為并聯(lián)MOSFET在穩(wěn)態(tài)情況下很少出現(xiàn)熱擊穿。MOSFET體二極管中壓降的溫度系數(shù)非正值。因此,并聯(lián)MOSFET在其體二極管處于導(dǎo)通時(shí),可能使穩(wěn)態(tài)電流的分配出現(xiàn)大幅不平衡現(xiàn)象。但事實(shí)上,MOSFET的體二極管在通過電流時(shí),MOSFET的溫度升高。所以,當(dāng)其導(dǎo)通電阻增大時(shí),其流過的電流就會(huì)減小。因此,穩(wěn)態(tài)電流中的不平衡很少會(huì)造成問題。
(2)開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的電流不平衡
一般來說,開通和關(guān)斷開關(guān)轉(zhuǎn)換期間會(huì)出現(xiàn)電流不平衡現(xiàn)象。這是由于并聯(lián)功率MOSFET之間的開關(guān)時(shí)間差異所致。開關(guān)時(shí)間的差異很大程度上取決于柵源閾值電壓Vth的值。即Vth值越小,開通時(shí)間越快;Vth值越大,關(guān)斷時(shí)間越快。因此,當(dāng)電流集中在Vth較小的MOSFET中時(shí),開通和關(guān)斷期間都會(huì)發(fā)生電流不平衡現(xiàn)象。這種電流不平衡會(huì)對(duì)器件施加過高的負(fù)載,并引發(fā)故障。并聯(lián)連接時(shí),為了減少瞬態(tài)開關(guān)期間的開關(guān)時(shí)間差異,最好使用Vth接近的功率MOSFET。對(duì)于跨導(dǎo)gm較高的MOSFET,開關(guān)時(shí)間也會(huì)更快。
此外,如果并聯(lián)MOSFET在其互連線路中的雜散電感不同,電路接線布局也是開關(guān)轉(zhuǎn)換期間引發(fā)電流不平衡的一個(gè)原因。尤其是源極電感會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)電壓。最好使并聯(lián)MOSFET之間的互連線路長度相等。
2. 并聯(lián)運(yùn)行的寄生振蕩
(1)因漏源電壓振蕩導(dǎo)致的柵極電壓振蕩
開關(guān)期間MOSFET的漏極端子和源極端子中會(huì)發(fā)生浪涌電壓VSurge,主要是因?yàn)殛P(guān)斷期間的di/dt和漏極端子及引線中的雜散電感(Ld)。如果VSurge導(dǎo)致的振蕩電壓通過MOSFET漏柵電容Cgd傳輸?shù)綎艠O,就會(huì)與柵極線路的雜散電感L形成諧振電路。
高電流、高速M(fèi)OSFET的內(nèi)部柵極電阻極小。在無外部柵極電阻器的情況下,該諧振電路的品質(zhì)因數(shù)會(huì)很大。如果發(fā)生諧振,諧振電路會(huì)在MOSFET的柵極端子和源極端子中產(chǎn)生很大的振蕩電壓,導(dǎo)致發(fā)生寄生振蕩。
除非并聯(lián)MOSFET的瞬態(tài)開關(guān)電流在關(guān)斷期間平衡良好,否則電流會(huì)不均勻地分配到之后關(guān)斷的MOSFET。該電流在漏極端子和源極端子中產(chǎn)生很大的電壓浪涌(振蕩),而電壓浪涌又傳遞到柵極,導(dǎo)致柵極端子和源極端子中產(chǎn)生振蕩電壓。如振蕩電壓過大,會(huì)導(dǎo)致發(fā)生柵源過電壓故障、開通故障或振蕩故障。
當(dāng)最快的MOSFET關(guān)斷時(shí),其漏極電壓上升。漏極電壓的上升通過柵漏電容Cgd傳遞到另一個(gè)MOSFET的柵極端子,導(dǎo)致MOSFET發(fā)生意外運(yùn)轉(zhuǎn),造成寄生振蕩。
此外,并聯(lián)MOSFET共用一個(gè)低阻抗路徑,因此也很容易發(fā)生寄生振蕩。
(2)并聯(lián)MOSFET的寄生振蕩
一般來說,并聯(lián)MOSFET比單個(gè)MOSFET更易發(fā)生寄生振蕩。這是由于漏極線路、源極線路、柵極線路、接合線和其它線路中的雜散電感,以及MOSFET的結(jié)電容導(dǎo)致的。
不過,寄生振蕩的發(fā)生與漏源負(fù)載、續(xù)流二極管、電源、共用柵極電阻器和柵極驅(qū)動(dòng)電路無關(guān)。換句話說,可忽略續(xù)流二極管和串聯(lián)電阻器(如電容器的等效串聯(lián)電阻器)的導(dǎo)通電阻。因此,并聯(lián)MOSFET形成了具有高品質(zhì)因數(shù)的諧振電路,由于具有高增益的反饋環(huán)路,該諧振電路極易發(fā)生振蕩。
3. MOSFET寄生振蕩的預(yù)防
并聯(lián)MOSFET的諧振電路由寄生電感和寄生電容組成(取決于其頻率)。
要避免發(fā)生寄生振蕩,首先選擇MOSFET時(shí)要求Cds/Cgs比值較低,gm值較小,這樣就不容易發(fā)生振蕩。
功率MOSFET
為每個(gè)MOSFET插入一個(gè)柵極電阻器可減小諧振
除了器件本身屬性,也可以使用外部電路來防止發(fā)生寄生振蕩,這里有兩種方法:
(1)為每個(gè)MOSFET的柵極插入一個(gè)柵極電阻器R1或一個(gè)鐵氧體磁珠,這樣可減小諧振電路的品質(zhì)因數(shù),從而減小正反饋環(huán)路的增益。實(shí)驗(yàn)證實(shí),為并聯(lián)的每個(gè)MOSFET插入串聯(lián)柵極電阻器可以有效防止發(fā)生寄生振蕩。
(2)在MOSFET的柵極和源極之間添加一個(gè)陶瓷電容器。
功率MOSFET
在MOSFET柵極和源極之間添加陶瓷電容器能預(yù)防寄生振蕩
上述方法中,gm值較小的MOSFET價(jià)格會(huì)稍高,其他兩種方法可由用戶自行優(yōu)化。不過,柵極電阻器會(huì)影響MOSFET的開關(guān)速度,電阻值會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增大;在柵極和源極之間添加電容器時(shí)應(yīng)小心,電容器種類和容值選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生反作用。
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