并聯(lián)MOSFET應(yīng)用中的均流技術(shù)

多年來(lái)，功率 MOSFET 一直是大功率應(yīng)用的支柱，可靠地提供大電流。然而，隨著電源應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，需要極高水平的電流。這些應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了實(shí)現(xiàn)一個(gè) MOSFET 不再足夠的功率水平要求，迫使設(shè)計(jì)人員求助于并聯(lián)放置 MOSFET。

并聯(lián)MOSFET的問(wèn)題及解決方案

為了實(shí)現(xiàn)良好的并聯(lián)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)上選擇 MOSFET——通過(guò)篩選——基于它們的閾值電壓相似，以確保它們同時(shí)導(dǎo)通。然而，屏蔽 MOSFET 會(huì)增加成本和復(fù)雜性，并且仍然容易受到溫度不穩(wěn)定性的影響。因此，考慮到上述問(wèn)題，專用 MOSFET 技術(shù)可以在并聯(lián)應(yīng)用中提供更好的解決方案，而無(wú)需額外的篩選過(guò)程。

均流與 MOSFET 中的兩種主要模式相關(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）。對(duì)于 MOSFET 而言，穩(wěn)態(tài)期間的均流本質(zhì)上是穩(wěn)定的，不在本文討論范圍內(nèi)；本說(shuō)明的重點(diǎn)是動(dòng)態(tài)期間的電流共享。在切換期間，重要的是并聯(lián)設(shè)備同時(shí)開(kāi)啟。在其中一個(gè)并聯(lián) MOSFET 比另一個(gè)更早開(kāi)啟的情況下，該設(shè)備將傳導(dǎo)完整的系統(tǒng)電流，直到其他設(shè)備開(kāi)啟，使其面臨磨損和潛在故障的風(fēng)??險(xiǎn)。MOSFET 在不同時(shí)間的導(dǎo)通是由于 V GS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，通過(guò)匹配的閾值電壓篩選和選擇 MOSFET，縮小值的范圍。這需要額外的制造過(guò)程，這會(huì)增加成本和復(fù)雜性。

V GS閾值電壓的匹配是一種有效的方法，但并不能解決與作為參數(shù)的 V GS相關(guān)的所有問(wèn)題。閾值電壓與溫度有關(guān)并具有負(fù)溫度系數(shù)，這意味著如果溫度升高，器件閾值電壓電平會(huì)下降。如果器件在不同溫度下運(yùn)行，它們的 V th差異會(huì)更大。這是因?yàn)檩^熱的器件由于溫度不匹配而使其 V th電平下降，從而提前開(kāi)啟。因此，在理想制造環(huán)境中被認(rèn)為匹配的設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中不一定保持匹配。這種效果如圖 1 和圖 2 所示。

圖 1：比較低溫下的常規(guī)與均流技術(shù)

圖 2：在加熱時(shí)比較常規(guī)與均流技術(shù)

溫度均流

圖 1 和圖 2 顯示了在并聯(lián)應(yīng)用中測(cè)量的結(jié)果。在圖 1 中，頂部的兩條軌跡，藍(lán)色和黃色，是兩條PSMN2R0-100SSF [i]使用常規(guī)技術(shù)的設(shè)備，其閾值電壓之間有 0.5V 的差值。底部的兩條跡線（綠色和紅色）是采用 Nexperia 均流技術(shù)的器件，其閾值電壓范圍為 0.5V。使用常規(guī)技術(shù)和 Nexperia 均流技術(shù)的測(cè)試具有相同的電路設(shè)計(jì)，以相同的頻率驅(qū)動(dòng)相同的感性負(fù)載。對(duì)于常規(guī)和均流技術(shù)，在相同時(shí)間、溫度和速率（分別為藍(lán)色和綠色跡線）的情況下，以較低閾值電壓對(duì)器件施加熱量。比較圖 2 和圖 1 可以看出，與 Nexperia 均流技術(shù)相比，常規(guī)技術(shù)在溫度方面并不穩(wěn)定。這背后的原因是 Nexperia 均流技術(shù)不依賴于閾值電壓來(lái)保持匹配以均勻分流。這很重要，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用可能不一定會(huì)在 PCB 上的所有并聯(lián) MOSFET 上實(shí)現(xiàn)均勻的溫度。因此，在制造環(huán)境中篩選和匹配的設(shè)備可能無(wú)法在實(shí)際應(yīng)用中保持匹配。

較高電流下的均流

與前面提到的制造篩選工藝方法相比，Nexperia 均流技術(shù)解決了在技術(shù)本身內(nèi)實(shí)現(xiàn)更均等的均流問(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 V th參數(shù)匹配。該技術(shù)在溫度下保持穩(wěn)定，并提供更好的均流性能，如圖 3 和圖 4 所示，與 Nexperia 電流相比，選擇了閾值電壓范圍為 0.5V 的常規(guī)技術(shù)的真實(shí)測(cè)量結(jié)果-共享技術(shù)也具有相同的 0.5-V 閾值電壓分布。通過(guò)將來(lái)自每種技術(shù)的兩個(gè)設(shè)備放置在同一塊板上，以相同的頻率驅(qū)動(dòng)相同的感性負(fù)載并捕獲流過(guò)它們的電流來(lái)捕獲結(jié)果。在這個(gè)例子中，每個(gè)設(shè)備在 20 kHz 下開(kāi)關(guān)的電流大約為 75 A。但是，常規(guī)技術(shù)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)僅相差 5 A。

圖 3：閾值電壓范圍為 0.5V 的常規(guī)技術(shù)

圖 4：Nexperia 均流技術(shù)，閾值電壓分布為 0.5V

值得指出的是，與圖 4 相比，常規(guī)技術(shù)需要大約 5 μs 才能開(kāi)始更均等地共享電流，其中設(shè)備在不到 0.5 μs 內(nèi)開(kāi)始均等共享。對(duì)于常規(guī)技術(shù)，具有較低 V th的設(shè)備將增加應(yīng)力，增加磨損和故障風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行的進(jìn)一步測(cè)試（此處未顯示）表明均流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是恒定的，這意味著如果頻率增加，動(dòng)態(tài)響應(yīng)仍將相同。因此，Nexperia 均流技術(shù)也有利于以更高頻率進(jìn)行切換的應(yīng)用。

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)明顯優(yōu)勢(shì)。它提供了一種不需要基于V th進(jìn)行篩選，也不依賴于V th來(lái)實(shí)現(xiàn)更均等的均流的技術(shù)解決方案。該技術(shù)解決了在較高電流下均流的問(wèn)題，并且對(duì)整個(gè) PCB 的溫度變化具有彈性——正如實(shí)際應(yīng)用中所經(jīng)歷的那樣。

審核編輯：劉清