MOSFET元件在理論上是可以并聯使用的,目的是來增強電路的電流驅動能力。但在實際應用過程中,有很多問題是值得我們高度注意的,核心問題就是并不是所有的MOSFET性能參數都是完全一致的,設計時要充分考慮電路時刻工作在數據手冊中的參數范圍內,這樣才能保證電路魯棒性的同時,達成增強電流驅動能力的目的。
本文將介紹下面幾個避不開的設計注意點:
- 完全導通下的直流工作時的結合點溫度
- 影響功率分配的PCB布局方式
- 動態工作時的柵極驅動
- 感性負載能量的消耗
1-完全導通下的直流工作時的結合點溫度
并聯的MOSFET完全導通時,流過每個MOSFET的電流是和導通電阻Rdson成反比的。假設并聯電路中的每個元件周圍的溫度及自身的熱阻都一致的情況下,初始狀態時,擁有低Rdson的元件會承載較高比例的電流,從而消耗更多的功率,元件的自身溫度會隨之上升。MOSFET的導通電阻Rdson有著正溫度系數,電阻值會隨著溫度的上升而增大,流過的電流值就會減小,那么并聯電路中的電流比例就會重新分配。在工作了一段時間后,電路達到了熱平衡,但低導通電阻的MOSFET依舊是溫度最高的。設計者就要確保并聯電路中的任一元件的結合點溫度都不超過數據手冊中的Tjmax。
示例1:Tamb=125℃ ,Rthj-a=20K/W,三個MOSFET BUK764R0-40E并聯的電路
按著上述的初始狀態和最終熱平衡狀態分析,有著低導通電阻Rdson的元件M1的溫度最高(174℃ ),接近于Tjmax=175℃,設計余量非常小,建議電路重新考慮。
2-影響功率分配的PCB布局方式
對于提高熱性能,元件結合點到外表面的熱阻Rthjc是MOSFET固有的屬性,電路的設計者是沒有辦法更改的,但是確實可以改變環境溫度及元件到周圍空氣的熱阻Rthja。并聯使用時,做到熱阻盡可能低的同時也要使電路中的每個元件的值一致,從而避免由于功率分配的不均導致某個元件過熱損壞。那么PCB的布局就顯得尤為重要。
下面列舉了幾種常用的理想的布局方式(顏色較深的陰影部分MOSFET的焊接襯底):
兩個或者三個MOSFET并聯電路的PCB布局:
六個MOSFET并聯電路的PCB布局:
3-動態工作時的柵極驅動
并聯MOSFET電路在動態的開關工作狀態時,柵極驅動電路的設計起著重要的影響。首先,要確保柵極驅動電路的電壓和電流的能力足以驅動并聯電路中的所有元件。比如三個元件并聯使用,每個元件要達成期望的開啟速度,就需要2mA的驅動電流,那么三個元件并聯就至少要滿足6mA的驅動能力。其次,每個元件與柵極驅動電路之間都要串聯一個柵極電阻(如下圖中的R4,R5和R6)。柵極電阻的作用是取出組內MOSFET間的柵極耦合,以至于每個MOSFET都可以接收到一致的柵極驅動信號。每個MOSFET內的極間電荷是不一致的,那么如過沒有這些電阻的話,在導通時擁有較低的柵極門限電壓的元件的彌勒平臺就會嵌住組內其他的元件的柵極電壓,這就會抑制和延緩了其他元件的導通。關閉的過程也會是一樣的效果。開關的時間不一致就會影響開關損耗的不同,這樣就可能出現由于功率分配不均衡導致的熱損壞。
4-感性負載能量的消耗
當并聯MOSFET電路用來驅動感性負載的時候,就要注意電路關閉時,存儲在負載中的能量的泄放對元件的沖擊。
感性負載端產生的能量一般足以超出漏極和源極之間的雪崩擊穿電壓VBRDSS。這就又出現了分配的問題:在數據手冊中也擊穿電壓VBRDSS也會有一個范圍值,那么擁有較低的VBRDSS值的元件就會率先被擊穿,那么它的溫度就會高于其他的元件,最終由于功率分配的不均衡導致失效。同樣的VBRDSS是真個溫度系數的,這個也會影響組內MOSFET的能量分配。
那么解決的辦法有兩個:一是電路設計要確保任意一個MOSFET都要能在惡劣的溫度下安全地流過在總的雪崩電流。二是通過下圖所示的續流二極管將感性負載中的能量泄放掉,從而起到保護MOSFET的作用(但要注意負載的要求,因為在續流階段仍有電流流過負載)。
顯然,如果充分考慮數據手冊中的參數及功率分配均衡的問題,MOSFET是完全可以并聯使用的。希望本文能對大家有所幫助。