Nexperia均流技術(shù)的并行MOSFET設(shè)計(jì)應(yīng)用

多年來(lái)，功率MOSFET一直是高功率應(yīng)用的支柱，能夠可靠地提供大電流。然而，隨著功率應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，需要極高水平的電流。這些應(yīng)用已達(dá)到功率水平要求，而一個(gè)MOSFET的實(shí)現(xiàn)已不再足夠，這迫使設(shè)計(jì)人員不得不將MOSFET并聯(lián)放置。

并聯(lián)MOSFET的問(wèn)題和解決方案

為了實(shí)現(xiàn)良好的并聯(lián)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)上是通過(guò)篩選來(lái)選擇MOSFET的，因?yàn)樗鼈兊?a href="http://wenjunhu.com/tags/閾值電壓/" target="_blank">閾值電壓相似，以確保它們同時(shí)導(dǎo)通。但是，屏蔽的MOSFET會(huì)增加成本和復(fù)雜度，并且仍然容易受到溫度不穩(wěn)定的影響。因此，通過(guò)考慮到上述問(wèn)題，無(wú)需額外的篩選過(guò)程，專(zhuān)用的MOSFET技術(shù)就可以在并行應(yīng)用中提供更好的解決方案。

電流共享與MOSFET中的兩種主要模式有關(guān)：動(dòng)態(tài)（即，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換）和穩(wěn)態(tài)/傳導(dǎo)（即，通過(guò)導(dǎo)通電阻）。穩(wěn)態(tài)期間的電流共享對(duì)于MOSFET本質(zhì)上是穩(wěn)定的，因此不在本文討論范圍之內(nèi)。本說(shuō)明的重點(diǎn)是動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電流共享。在切換期間，并行設(shè)備同時(shí)打開(kāi)很重要。在其中一個(gè)并聯(lián)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間比其他MOSFET早的情況下，該器件將傳導(dǎo)全部系統(tǒng)電流，直到另一器件導(dǎo)通為止，從而使其有磨損和潛在故障的風(fēng)??險(xiǎn)。MOSFET中不同時(shí)間的導(dǎo)通歸因于VGS的自然擴(kuò)散閾值電壓。無(wú)論制造商或技術(shù)如何，都不能保證兩個(gè)MOSFET具有相同的閾值電壓。為了克服這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員通常采用一種解決方案，即通過(guò)匹配的閾值電壓來(lái)篩選和選擇MOSFET，從而縮小了取值范圍。這需要額外的制造過(guò)程，這增加了成本和復(fù)雜性。

VGS閾值電壓的匹配是一種有效的方法，但不能解決與VGS作為參數(shù)相關(guān)的所有問(wèn)題。閾值電壓取決于溫度，并且具有負(fù)溫度系數(shù)，這意味著如果溫度升高，則器件閾值電壓電平會(huì)降低。如果設(shè)備在不同溫度下運(yùn)行，則它們的Vth之差將更大。這是由于溫度不匹配導(dǎo)致較熱的器件的Vth電平下降，從而導(dǎo)通時(shí)間更早。因此，當(dāng)放在實(shí)際應(yīng)用中時(shí)，在理想的制造環(huán)境中被認(rèn)為匹配的設(shè)備不一定會(huì)保持匹配狀態(tài)。這種效果如圖1和2所示。

圖1：將常規(guī)技術(shù)與電流共享技術(shù)在低溫下進(jìn)行比較

圖2：在施加熱量時(shí)將常規(guī)技術(shù)與均流技術(shù)進(jìn)行比較

在溫度下均流

圖1和2顯示了在并行應(yīng)用程序中測(cè)得的結(jié)果。在圖1中，最上面的兩條跡線（藍(lán)色和黃色）是兩條PSMN2R0-100SSF[i]使用常規(guī)技術(shù)的設(shè)備，其閾值電壓之間的差值為0.5V。底部的兩條跡線，綠色和紅色是采用Nexperia均流技術(shù)的器件，其閾值電壓具有相同的0.5V分布。使用常規(guī)技術(shù)和Nexperia均流技術(shù)的兩種測(cè)試均具有相同的電路設(shè)計(jì)，以相同的頻率驅(qū)動(dòng)相同的電感負(fù)載。對(duì)于常規(guī)和均流技術(shù)，熱量將以較低的閾值電壓同時(shí)，在溫度和速率（分別為藍(lán)色和綠色）時(shí)施加到設(shè)備。將圖2與圖1進(jìn)行比較可知，與Nexperia均流技術(shù)相比，常規(guī)技術(shù)在溫度下不穩(wěn)定。其背后的原因是Nexperia均流技術(shù)不依賴閾值電壓來(lái)保持匹配以均勻地共享電流。這很重要，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用不一定會(huì)在PCB上所有并聯(lián)的MOSFET上實(shí)現(xiàn)均勻的溫度。因此，在制造環(huán)境中進(jìn)行篩選和匹配的設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中可能不會(huì)保持匹配狀態(tài)。

高電流分流

與前面提到的制造篩選過(guò)程方法相比，Nexperia均流技術(shù)解決了在技術(shù)本身內(nèi)實(shí)現(xiàn)更均等電流共享的問(wèn)題。使用具有Nexperia均流技術(shù)的MOSFET意味著設(shè)計(jì)工程師不再需要依賴Vth參數(shù)被匹配。如圖3和圖4所示，該技術(shù)在溫度下穩(wěn)定，并提供更好的電流共享性能，與Nexperia電流相比，該技術(shù)顯示了實(shí)際測(cè)量結(jié)果，與已選擇的閾值電壓擴(kuò)展為0.5V的常規(guī)技術(shù)進(jìn)行了比較。共享技術(shù)，其閾值電壓也具有相同的0.5V擴(kuò)展。通過(guò)將每種技術(shù)的兩個(gè)設(shè)備放在同一塊板上，以相同的頻率驅(qū)動(dòng)相同的電感負(fù)載并捕獲流過(guò)它們的電流來(lái)捕獲結(jié)果。在此示例中，每個(gè)以20 kHz開(kāi)關(guān)的設(shè)備的電流約為75A。但是，與常規(guī)技術(shù)相比，并聯(lián)設(shè)備之間的峰值電流差異超過(guò)30 A，而Nexperia均流技術(shù)差異僅為5A。

圖3：閾值電壓擴(kuò)展為0.5V的常規(guī)技術(shù)

圖4：Nexperia均流技術(shù)，閾值電壓擴(kuò)展為0.5V

值得指出的是，與圖4相比，常規(guī)技術(shù)大約需要5 μs才能開(kāi)始更平均地開(kāi)始共享電流，在圖4中，器件在不到0.5 μs的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始平均共享。對(duì)于常規(guī)技術(shù)，具有較低Vth的器件將增加應(yīng)力，增加磨損并增加故障風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行的進(jìn)一步測(cè)試（此處未顯示）表明，電流共享的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是恒定的，這意味著如果要增加頻率，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)仍將是相同的。因此，Nexperia均流技術(shù)也可以在更高頻率下切換的應(yīng)用中受益。

結(jié)論

如實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測(cè)量所示，Nexperia均流技術(shù)為并行MOSFET設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來(lái)了明顯的好處。它提供了一種技術(shù)解決方案，該技術(shù)解決方案不需要基于Vth的屏蔽，也不依賴于Vth來(lái)實(shí)現(xiàn)更均等的均流。該技術(shù)解決了在較高電流下甚至電流均分的問(wèn)題，并且可以抵抗整個(gè)PCB上的溫度變化-就像實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到的那樣。

Nexperia應(yīng)用工程師Stein Nesbakk

編輯：hfy