MOSFET管并聯(lián)應(yīng)用時(shí)電流分配不均問題探究

1 引言
    MOSFET管的導(dǎo)通電阻具有正的溫度特性，可自動(dòng)調(diào)節(jié)電流，因而易于并聯(lián)應(yīng)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(yīng)用功率MOSFET管會(huì)產(chǎn)生電流分配不均的問題，關(guān)于此問題，已有文獻(xiàn)進(jìn)行過分析，這里進(jìn)一步分析 MOSFET管并聯(lián)應(yīng)用時(shí)導(dǎo)通電阻Ron、柵閾電壓UT、跨導(dǎo)Gm等自身參數(shù)及部分電路參數(shù)對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配的影響。

2 導(dǎo)通電阻Ron對(duì)靜態(tài)電流分配的影響
    這里靜態(tài)是指器件開關(guān)過程已結(jié)束并進(jìn)入穩(wěn)定導(dǎo)通后的工作狀態(tài)。此時(shí)，由于導(dǎo)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(shí)踐證明，當(dāng)n只器件并聯(lián)時(shí)，若其中只有1只器件具有較小的導(dǎo)通電阻Ron，這時(shí)靜態(tài)電流不均現(xiàn)象最為嚴(yán)重。設(shè)較小導(dǎo)通電阻為R1，其余器件的導(dǎo)通電阻為R2，并設(shè)其結(jié)溫為Tj=25℃時(shí)的導(dǎo)通電阻分別為 R10和R20，而結(jié)溫Tj≠25℃時(shí)的導(dǎo)通電阻分別為R1T和R2T，則有：

  
    式中，In為MOSFET管的漏極電流，RTj為PN結(jié)到管殼的熱電阻。
    若負(fù)載電流為I0，當(dāng)各器件不存在電流分配不均現(xiàn)象時(shí)，各管漏極電流平均值為：

式中為漏極電流的不均勻度為導(dǎo)通電阻的不匹配度；M=I2BR10RTjKT，稱為功率MOSFET管導(dǎo)通電阻的自主補(bǔ)償系數(shù)。
    當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)n→∞時(shí)，式(6)可簡(jiǎn)化為：

在式(7)、(8)中再分別令M=0和n→∞，則均可得到：
    A=B (9)[!--empirenews.page--]
    圖2是以IRFP064為例，根據(jù)式(6)～(9)計(jì)算出的漏極電流不均勻度A與導(dǎo)通電阻均勻度B間的關(guān)系曲線(以n為參變量)，可得出如下結(jié)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(bǔ)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(dǎo)通電阻的匹配程度。

3 閾值電壓UT對(duì)動(dòng)態(tài)電流分配的影響
    動(dòng)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(guān)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。

3．1 VT1、VT2均未導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓，0→t1時(shí)段，iD1=iD2=0
    柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)由負(fù)半周進(jìn)人正半周后，信號(hào)源Ug向兩管的柵極電容Cgs充電，即：

3．2 僅VT1管導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓，t1~t2時(shí)段
    在t1～t2時(shí)間段內(nèi)，iD1>0，iD2=0。對(duì)其整理，得到二階微分方程組：

  
    式中，變量系數(shù)的數(shù)量級(jí)為A≈10－8,B≈10－5,C≈－10－13。下面分析中認(rèn)為B>>A>>C?？紤]t1～t2時(shí)間段變量x的初始條件，t=0時(shí)(即上一階段t=t1時(shí))；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(jí)關(guān)系，得此微分方程組的解為：

3．3 兩管均導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓，時(shí)段t2~∞
    在t2～∞時(shí)間段內(nèi)，iD1>0，iD2>0根據(jù)圖3，可整理得出二階微分方程組為：

  
式中，C=2RgCgdgm(L0+LS)，同上述略有差異，但這種差異對(duì)結(jié)果影響甚微，予以忽略。[!--empirenews.page--]
    考慮本時(shí)段變量)，的初始條件，t=0時(shí)(即上一階段t=t2時(shí))，y=UT2；并選擇y'=y(t2)，得此微分方程組的解為：

  
    此時(shí)，兩個(gè)　極電流的差達(dá)到最大值，即：

  
    式（26）~式（27）反映了并聯(lián)應(yīng)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(guān)系，以上分析利用了近似關(guān)系式B> >A>>C，當(dāng)不滿足該關(guān)系時(shí)，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(guān)系。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管IRFP064的典型參數(shù)及典型電路參數(shù)應(yīng)用式(10)、(15)、(16)、 (22)、(23)得到曲線如圖4所示。當(dāng)?shù)玫降穆O電流的不均勻程度及所需時(shí)間隨管子參數(shù)和電路參數(shù)的變化關(guān)系如圖5、圖6所示。

4 結(jié)束語
    通過以上分析，要減小并聯(lián)應(yīng)用的MOSFET管電流分配不勻的影響，當(dāng)應(yīng)用電路采用如圖3所示的控制方式時(shí)，可采取以下措施：(1)盡量選擇UT、gm、Ron等參數(shù)對(duì)稱的管子，這是最基本的方法；(2)適當(dāng)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(shí)間；(3)在漏極電流如的上升時(shí)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。