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  • MOSFET管并聯(lián)應用時電流分配不均問題解析
    • 發(fā)布時間:2024-10-11 19:51:09
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    MOSFET管并聯(lián)應用時電流分配不均問題解析
    1 引言
    MOSFET管的導通電阻具有正的溫度特性,可自動調節(jié)電流,因而易于并聯(lián)應用。但由于器件自身參數(shù)(柵極電路參數(shù)及漏源極電路參數(shù)不一致)原因,并聯(lián)應用功率MOSFET管會產生電流分配不均的問題,關于此問題,已有文獻進行過分析,這里進一步分析 MOSFET管并聯(lián)應用時導通電阻Ron、柵閾電壓UT、跨導Gm等自身參數(shù)及部分電路參數(shù)對靜態(tài)和動態(tài)電流分配的影響。
    2 導通電阻Ron對靜態(tài)電流分配的影響
    這里靜態(tài)是指器件開關過程已結束并進入穩(wěn)定導通后的工作狀態(tài)。此時,由于導通電阻Ron具有正的溫度系數(shù)KT,可抑制電流分配不均的程度,但不能根本消除電流分配不均現(xiàn)象。實踐證明,當n只器件并聯(lián)時,若其中只有1只器件具有較小的導通電阻Ron,這時靜態(tài)電流不均現(xiàn)象最為嚴重。設較小導通電阻為R1,其余器件的導通電阻為R2,并設其結溫為Tj=25℃時的導通電阻分別為 R10和R20,而結溫Tj≠25℃時的導通電阻分別為R1T和R2T,則有:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    式中,In為MOSFET管的漏極電流,RTj為PN結到管殼的熱電阻。
    若負載電流為I0,當各器件不存在電流分配不均現(xiàn)象時,各管漏極電流平均值為:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    式中為漏極電流的不均勻度為導通電阻的不匹配度;M=I2BR10RTjKT,稱為功率MOSFET管導通電阻的自主補償系數(shù)。
    當并聯(lián)支路數(shù)n→∞時,式(6)可簡化為:
    在式(7)、(8)中再分別令M=0和n→∞,則均可得到:
    A=B (9)
     圖2是以IRFP064為例,根據(jù)式(6)~(9)計算出的漏極電流不均勻度A與導通電阻均勻度B間的關系曲線(以n為參變量),可得出如下結論:(1) 并聯(lián)器件數(shù)n相同的每一組曲線,漏極電流不均勻度A隨自主補償系數(shù)M的增大而下降;(2)并聯(lián)器件數(shù)n相同的每一組曲線,兩條曲線間的差距隨n的增大而增大;(3)并聯(lián)器件數(shù)n相同的每組曲線,隨n的減小而降低;(4)并聯(lián)器件的靜態(tài)電流不匹配度A有最大值,即A=B。所以,降低并聯(lián)器件的電流不匹配度的最有效方法就是提高并聯(lián)器件導通電阻的匹配程度。
    MOSFET管并聯(lián)應用
    3 閾值電壓UT對動態(tài)電流分配的影響
    動態(tài)電流分配不均是指由于器件本身參數(shù)失配而使各并聯(lián)支路在開關過程中電流大小不一致的現(xiàn)象。原因很多,這里以圖3為例分析閾值電壓UT引起的電流分配不勻現(xiàn)象。
    MOSFET管并聯(lián)應用MOSFET管并聯(lián)應用
    3.1 VT1、VT2均未導通時的柵極電壓,0→t1時段,iD1=iD2=0
    柵極驅動信號由負半周進人正半周后,信號源Ug向兩管的柵極電容Cgs充電,即:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    MOSFET管并聯(lián)應用
    3.2 僅VT1管導通時的柵極電壓,t1~t2時段
    在t1~t2時間段內,iD1>0,iD2=0。對其整理,得到二階微分方程組:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    式中,變量系數(shù)的數(shù)量級為A≈10-8,B≈10-5,C≈-10-13。下面分析中認為B>>A>>C。考慮t1~t2時間段變量x的初始條件,t=0時(即上一階段t=t1時);x=UT1;并選擇x'=0,并考慮微分方程中變量系數(shù)的數(shù)量級關系,得此微分方程組的解為:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    3.3 兩管均導通時的柵極電壓,時段t2~∞
    在t2~∞時間段內,iD1>0,iD2>0根據(jù)圖3,可整理得出二階微分方程組為:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    式中,C=2RgCgdgm(L0+LS),同上述略有差異,但這種差異對結果影響甚微,予以忽略。
     考慮本時段變量),的初始條件,t=0時(即上一階段t=t2時),y=UT2;并選擇y'=y(t2),得此微分方程組的解為:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    此時,兩個 極電流的差達到最大值,即:
    MOSFET管并聯(lián)應用
    式(26)~式(27)反映了并聯(lián)應用的功率MOSFET極電流分配不勻程度及其與器件參數(shù)、電路參數(shù)的關系,以上分析利用了近似關系式B> >A>>C,當不滿足該關系時,以上分由式(26)~(27)可以看出,兩漏極電流分配不均的程度與管子參數(shù)gm、UT1、UT2、 Cgs、Cgd和電路參數(shù)Rg、Ls、Lo等都有密切關系。根據(jù)場效應管IRFP064的典型參數(shù)及典型電路參數(shù)應用式(10)、(15)、(16)、 (22)、(23)得到曲線如圖4所示。當?shù)玫降穆O電流的不均勻程度及所需時間隨管子參數(shù)和電路參數(shù)的變化關系如圖5、圖6所示。
    MOSFET管并聯(lián)應用MOSFET管并聯(lián)應用
    4 結束語
    通過以上分析,要減小并聯(lián)應用的MOSFET管電流分配不勻的影響,當應用電路采用如圖3所示的控制方式時,可采取以下措施:(1)盡量選擇UT、gm、Ron等參數(shù)對稱的管子,這是最基本的方法;(2)適當引入源極電感Ls,這樣既可提高漏極電流iD 的均勻度,又不至于明顯增大上升時間;(3)在漏極電流如的上升時間滿足要求的情況下,盡量減小柵極電阻Rg;(4)通過合理安排元器件及合理布線,盡量減小漏極分布電感。
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