使用并聯(lián)功率MOSFETS的要點(diǎn)和范例

以下文章來(lái)源于硬件系統(tǒng)架構(gòu)師，作者Timothy

引言：雙極晶體管由于是基極電流驅(qū)動(dòng)，因此電流平衡容易被基極-發(fā)射極電壓VBE的波動(dòng)所破壞，使得并聯(lián)連接均衡變得困難。而功率MOS是由電壓驅(qū)動(dòng)的，因此只需要向并聯(lián)連接的每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供驅(qū)動(dòng)電壓就可以保持相當(dāng)不錯(cuò)的均衡性，這使得并聯(lián)連接相對(duì)容易，因此并聯(lián)連接MOS比并聯(lián)雙極晶體管更容易。功率MOS具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生熱失控，所以并聯(lián)功率MOSFETS是一種減少傳導(dǎo)損耗和分散功耗以限制最大結(jié)溫的常用方法，本節(jié)主要介紹在各種應(yīng)用場(chǎng)景中使用并聯(lián)功率MOSFETS的要點(diǎn)和范例。

€1.并行連接的考慮點(diǎn)

電路/Layout對(duì)稱(chēng)

當(dāng)在高速下控制高功率時(shí)，有必要仔細(xì)考慮設(shè)備的選擇及其特性中可能變化的范圍。在進(jìn)行并行連接時(shí)，最重要的是避免電流集中，包括過(guò)電流，并確保在所有可能的負(fù)載條件下，良好平衡、均勻所有流過(guò)器件的電流。如圖17-1所示，建議對(duì)稱(chēng)地布置電路，并有效隔離輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。

圖17-1：兩枚MOS并聯(lián)

開(kāi)啟關(guān)斷閾值一致

通常在通電和斷電期間會(huì)出現(xiàn)電流不平衡，這是由于功率MOSFET的切換時(shí)間的差異造成的。眾所周知，變化在開(kāi)關(guān)時(shí)間在很大程度上取決于門(mén)-源閾值電壓Vth的值。也就是說(shuō)，Vth的值越小，通電時(shí)間就越快。相反，在斷電期間，Vth的值越大，截止速度就越快。因此，當(dāng)電流集中在一個(gè)具有較小Vth的功率MOS中時(shí)，在通電和斷電過(guò)程中都會(huì)發(fā)生電流不平衡。這種電流不平衡會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的功率損耗過(guò)大，并導(dǎo)致故障。對(duì)于并行連接，為了減少瞬態(tài)期間的變化，最好使用相近Vth值和開(kāi)關(guān)時(shí)間的變化。在并聯(lián)連接的每個(gè)電源MOSFET之間插入一個(gè)柵極電阻也很重要，以確保穩(wěn)定運(yùn)行和防止異常振蕩。（圖17-1)

圖17-2：不均勻開(kāi)啟閾值帶來(lái)的影響

如圖17-2是不平衡開(kāi)啟閾值帶來(lái)的電流ID隱患，開(kāi)啟和關(guān)斷更快的MOS在開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)尖峰電流脈沖，如果尖峰電流脈沖過(guò)高觸及MOS的IDpeak，就會(huì)損壞MOS，發(fā)熱也會(huì)不均衡。

圖17-3：功率MOSFET電阻VS溫度

€2.并行連接的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)動(dòng)作

首先考慮兩個(gè)MOS并聯(lián)運(yùn)行的靜態(tài)操作，如圖17-4所示：

圖17-4：同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩枚NMOS

靜態(tài)

每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的電流與其接通電阻RDSo·n的倒數(shù)成正比。當(dāng)然，RDSon最低的MOS將導(dǎo)通更多的電流。當(dāng)它升溫時(shí)，它的RDSon增加，將一些電流轉(zhuǎn)移到其它MOS。熱耦合良好的平行放置MOS的結(jié)溫度大致相同。電流共享仍然取決于每個(gè)MOS的相對(duì)對(duì)地電阻，電阻值在MOSFET數(shù)據(jù)表中規(guī)定的RDSon公差范圍內(nèi)。

動(dòng)態(tài)

在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，具有最低閾值電壓VGSth的MOS首先打開(kāi)，最后關(guān)閉。這種場(chǎng)效應(yīng)晶體管占據(jù)了更多的開(kāi)關(guān)損耗，并在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中承擔(dān)了更高的電應(yīng)力。在一定程度上，熱共享效應(yīng)平衡了開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗，MOS將在大致相同的溫度下運(yùn)行。

€3.并行連接的Tips

當(dāng)并聯(lián)使用MOS時(shí)，如下有一些注意點(diǎn)：

#1：每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管需要自己的柵極電阻，其值從幾Ω到幾十Ω。這有助于電流共享和防止門(mén)振蕩。

#2：MOS需要良好的熱耦合，以確保設(shè)備之間的電流和熱平衡。它們可以安裝在一個(gè)普通的散熱器或銅平面上，以保持相同的溫度。

#3：每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的放置和布局應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，相同和對(duì)稱(chēng)，以平衡臨界柵源和漏源回路中的寄生電感。

#4：確保柵極驅(qū)動(dòng)電路可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)MOS的寄生電容（即柵極驅(qū)動(dòng)電流要足夠大），而不會(huì)變太熱，寄生電容（電荷）要乘以平行的MOSFETS的數(shù)量。（傳送門(mén)：MOS-1：MOS的寄生模型）

#5：避免在柵-源極（GS）或柵-漏極（GD）之間添加外部電容器。如有必要，可以調(diào)整柵極電阻器的值，以優(yōu)化MOS的開(kāi)關(guān)速度，關(guān)于如何優(yōu)化MOS的開(kāi)關(guān)速度，回顧上節(jié)（傳送門(mén)：SCD-16：MOS的減速加速電路設(shè)計(jì)）。

#6：如果需要齊納二極管Zener來(lái)保護(hù)MOSFET驅(qū)動(dòng)器，建議將它們放在柵極驅(qū)動(dòng)器輸出附近，并放在柵極電阻之前。

功率MOS數(shù)據(jù)表的絕對(duì)最大額定值表中規(guī)定了最大功耗。最大功耗是一個(gè)計(jì)算值，在現(xiàn)實(shí)中，它不是很有用，因?yàn)橛糜诖祟?lèi)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)PCB與實(shí)際的、真實(shí)的使用環(huán)境無(wú)關(guān)。以絕對(duì)最大額定值為參考基準(zhǔn)，根據(jù)我們的PCB設(shè)計(jì)和環(huán)境條件，特定封裝的熱性能在實(shí)際使用中可能更好或更差。

€4.并行連接的使用場(chǎng)景

多MOS并聯(lián)的使用場(chǎng)景一句話總結(jié)：在大電流通路場(chǎng)景平均分?jǐn)傠娏鞑p少發(fā)熱量（Rdson越并越小）。

圖17-5：外置并聯(lián)MOS雙相輸出同步降壓DC-DC

如圖17-5是一個(gè)并聯(lián)使用MOS的場(chǎng)景，LTC3856是一個(gè)雙相外置開(kāi)關(guān)的降壓DC-DC器件，總輸出電流可以達(dá)到50A，平均到單相為25A。以上相為例，Q1和Q5并聯(lián)作為一個(gè)高側(cè)開(kāi)關(guān)，Q2和Q6并聯(lián)作為一個(gè)整體同步開(kāi)關(guān)，這樣某一時(shí)刻，單個(gè)MOS只需要承受12.5A即可。當(dāng)然此類(lèi)器件可以進(jìn)行拓展，可以使用更多枚MOS并聯(lián)，進(jìn)一步提高輸出的電流能力，前提是滿足LTC3856的要求。