N个功率MOSFET并联均流问题解析

　　在此引入Q轨迹[3]把器件内部参数同其外围线路联系起来，分析线路中各种寄生因素对并联均流的影响。当N个功率MOSFET并联工作时，假设各支路的Rg完全相同，栅漏源极连线长度也各自相同。定义Q值如式（1）。
　　Q=IGLx    （1）
　　式中：IG为工作区内的平均栅极电流；
　　Lx=Lss1＋Lss2＋Ld/N其中Lss1及Lss2为外围线路电感。

　　不同Q值下IRF150开通和关断时漏电流iD和漏源电压vDS曲线如图1中实线所示。而在Q=Q2，Ls/Lx不同时，器件开关时iD与vDS波形如图1中虚线所示。

　　从图1中实线可以看出，Q值越大，换向时间越短，开通损耗越低但关断损耗增大；从图1中虚线可以看出在线路中引入源极电感，器件的开关轨迹发生很大变化，开通损耗增加而关断损耗减小。在高频情况下，器件的开关时间和开关损耗对整个系统效率的提高至关重要。从上面的分析可知器件理想的工作条件应该是在相对较高的Q值下。以下基于不同Q值，通过仿真软件PSPICE分析外围线路中各种寄生参数对并联均流的影响。

　　双管并联电路如图2所示。选用APT公司生产的APT6013LLL做为开关器件,其最高耐压为600V，最大连续漏电流为43A，输入电容Ciss=5696pF，td(on)=11ns，tr=14ns，td(off)=27ns，tf=8ns，阈值电压平均值为4V；驱动信号vgs是幅值为15V频率为1MHz，占空比为50％的方波信号；外接直流电源VDD=100V；负载R为2Ω的无感电阻；D为续流二极管；Lg1=Lg2=Lg，Ld1=Ld2=Ld，Ls1=Ls2=Ls，分别为栅漏源极引线电感，Rg1=Rg2=Rg是栅极去耦电阻。考虑到实验中多用短而粗的双股绞线来减小线路寄生电感，所以，仿真时定义电路中的寄生电感Ld=Lg=Ls=10nH，负载寄生电感L=100nH。

　　仿真情况如下：
　　1）阈值电压Vth相差0.7V，Rg=5Ω和Rg=10Ω(即Q1<Q2)，其它参数均一致情况下，并联两管的漏电流iD波形如图3所示。
　　从图3可以看出，并联两管的阈值电压不同会引起两管不均流，Q值较大时均流特性比较好。
　　2）阈值电压Vth相差0.7V，Rg=5Ω，Ls分别为22.5nH和5nH，其它参数均一致情况下,漏电流iD波形如图4所示。

　　从图4可以看出，引入源极电感Ls，并联不均流得到改善，但Ls越大器件关断时间越长。在设计中，并联器件源极电感保持一致是必须的，寻找最优的Ls（即Ls/Lx）使得并联均流特性最好。表1为阈值电压Vth相差10％，其它参数均一致情况下，分别取不同Q和Ls/Lx，器件开通和关断过程中电流不均衡的仿真分析结果。其中Δi=iD1－iD2，为并联两管漏电流相差最大处的差值。

　　由表1可以看出，当Ls/Lx=25％，Q=Q2时，开通和关断过程器件的均流特性相对最好。

　　内部特性参数不一致下，Q和Ls/Lx不同对器件动态电流分布的影响：

　　实验线路同图2，线路布局完全对称，实验采用IRFP450做为开关管，其基本特性参数：VDSS=500V，RDS(on)=0.4Ω，iD=14A，Crss=340pF，Ciss=2600pF，直流电压是经过三相整流输出的VDD=95V，R1=50Ω，驱动电压幅值为15V，占空比为65％频率约为1MHz。

　　实验情况如下：
　　1）Rg=8.5Ω，未采取任何均流措施情况下，随机取两个MOSFET并联运行时，漏极电流iD波形如图5所示。
　　从图5可以看出，在同一驱动信号作用下，由于并联两管内部参数存在差异，导致了电流的不均衡和开关时间的不同时，使两管承受的通断损耗也出现较大差异，极有可能会造成开关过程中单管负担过重，以致电流过载而烧损。
　　2）使Rg=10.0Ω，其它条件不变，漏极电流iD波形如图6所示。

　　调节栅极去耦电阻RG相当于调节栅极平均电流IG的大小。由图6可知，增大RG引起功率MOSFET输入电容的充、放电速度减慢，加剧了两管并联应用时动态电流的不均衡。因此，在保证栅极去耦的前提下，Rg应尽可能地小。
　　3）Rg=8.5Ω，适当增大Ls，且使Ls1=Ls2时，漏极电流iD波形如图7所示。
　　由图7可知，引入适当大小的源极电感，当电流突变时，在电感上会引起附加的di/dt，它能够通过调整器件的栅极电压阻止动态电流的进一步不均衡，大大改善了并联两管的动态均流特性。然而，这种方法增加了器件开关时的损耗，而且源极电感过大会引起器件的开关时间过长而不利于高频使用。因此，多管并联时可以引入适当的源极电感，又不宜太大。

　　当功率MOSFET多管并联时，最根本的方法是选用内部参数完全一致的进行并联，通过紧密布局和器件的对称布局来减少杂散电感，消除寄生振荡。在实际使用中为了最大限度地获得并联均流，应该从以下几方面考虑：
　　1）选用同型号同批次的器件加以并联；
　　2）使用同一个驱动源和独立的栅极电阻消除寄生振荡；
　　3）电路布局对称并尽可能紧凑，连线长度相同且减短加粗并使用双股绞线；
　　4）适当增大Q值和选取适当大小的Ls/Lx，通过匹配外围电路最大限度地获得并联均流结果。