功率MOSFET并联时产生寄生振荡的原因及解决方案

PEELAY

功率MOS管即功率MOSFET，具有热漂移小，驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高等优点。凭借出色的热稳定性，将多个功率MOSFET并联的方法可行而简单，这对提高输出电流非常有意义。
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事实上，MOSFET工作于高频率开关状态，任何电气特性差异和电路杂散电感均可导致瞬时电压峰值，以及并联MOSFET之间的电流分配不平衡。这是非常有害的，因为电流不平衡可能导致功率损耗过大并损坏器件。
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并联MOSFET（左）及寄生振荡状态的等效电路（右）
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并联连接时，最重要的是避免电流集中（包括在开关转换期间），并确保在所有可能的负载条件下，流向所有MOSFET的电流保持平衡且均匀。应特别注意以下方面：
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(1) 因器件特性不匹配（并联运行）导致的电流不平衡。
(2) 寄生振荡（并联运行）。
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1. 器件不匹配导致的电流不平衡

（1） 稳态运行中的电流不平衡

在非开关期间，按照与并联MOSFET的导通电阻成反比的方式为其分配电流。导通电阻最低的MOSFET将承载最高的电流。导通电阻的正温度系数通常会为电流不平衡提供补偿，使通过各个 MOSFET的电流相等。

- P* X$ X2 w$ F  x* h/ V2 v) m因此，认为并联MOSFET在稳态情况下很少出现热击穿。MOSFET体二极管中压降的温度系数非正值。因此，并联MOSFET在其体二极管处于导通时，可能使稳态电流的分配出现大幅不平衡现象。但事实上，MOSFET的体二极管在通过电流时，MOSFET的温度升高。所以，当其导通电阻增大时，其流过的电流就会减小。因此，稳态电流中的不平衡很少会造成问题。
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（2）开关转换期间的电流不平衡
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一般来说，开通和关断开关转换期间会出现电流不平衡现象。这是由于并联功率MOSFET之间的开关时间差异所致。开关时间的差异很大程度上取决于栅源阈值电压Vth的值。即Vth值越小，开通时间越快；Vth值越大，关断时间越快。因此，当电流集中在Vth较小的MOSFET中时，开通和关断期间都会发生电流不平衡现象。这种电流不平衡会对器件施加过高的负载，并引发故障。并联连接时，为了减少瞬态开关期间的开关时间差异，最好使用Vth接近的功率MOSFET。对于跨导gm较高的MOSFET，开关时间也会更快。
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4 t% g1 ?% J5 Y, G  d此外，如果并联MOSFET在其互连线路中的杂散电感不同，电路接线布局也是开关转换期间引发电流不平衡的一个原因。尤其是源极电感会影响栅极驱动电压。最好使并联MOSFET之间的互连线路长度相等。
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2. 并联运行的寄生振荡

9 ^4 \( A0 w3 L6 y# {（1）因漏源电压振荡导致的栅极电压振荡
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7 v- R: @7 j. G$ X开关期间MOSFET的漏极端子和源极端子中会发生浪涌电压VSurge，主要是因为关断期间的di/dt和漏极端子及引线中的杂散电感（Ld）。如果VSurge导致的振荡电压通过MOSFET漏栅电容Cgd传输到栅极，就会与栅极线路的杂散电感L形成谐振电路。

高电流、高速MOSFET的内部栅极电阻极小。在无外部栅极电阻器的情况下，该谐振电路的品质因数会很大。如果发生谐振，谐振电路会在MOSFET的栅极端子和源极端子中产生很大的振荡电压，导致发生寄生振荡。

除非并联MOSFET的瞬态开关电流在关断期间平衡良好，否则电流会不均匀地分配到之后关断的MOSFET。该电流在漏极端子和源极端子中产生很大的电压浪涌（振荡），而电压浪涌又传递到栅极，导致栅极端子和源极端子中产生振荡电压。如振荡电压过大，会导致发生栅源过电压故障、开通故障或振荡故障。

当最快的MOSFET关断时，其漏极电压上升。漏极电压的上升通过栅漏电容Cgd传递到另一个MOSFET的栅极端子，导致MOSFET发生意外运转，造成寄生振荡。

此外，并联MOSFET共用一个低阻抗路径，因此也很容易发生寄生振荡。
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（2）并联MOSFET的寄生振荡

一般来说，并联MOSFET比单个MOSFET更易发生寄生振荡。这是由于漏极线路、源极线路、栅极线路、接合线和其它线路中的杂散电感，以及MOSFET的结电容导致的。
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8 Q, C# e: h$ O: u4 x不过，寄生振荡的发生与漏源负载、续流二极管、电源、共用栅极电阻器和栅极驱动电路无关。换句话说，可忽略续流二极管和串联电阻器（如电容器的等效串联电阻器）的导通电阻。因此，并联MOSFET形成了具有高品质因数的谐振电路，由于具有高增益的反馈环路，该谐振电路极易发生振荡。
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3. MOSFET寄生振荡的预防

4 z* a3 m7 Y" t: y4 {并联MOSFET的谐振电路由寄生电感和寄生电容组成（取决于其频率）。
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8 _( q8 w3 k* Y, ~0 E要避免发生寄生振荡，首先选择MOSFET时要求Cds/Cgs比值较低，gm值较小，这样就不容易发生振荡。
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为每个MOSFET插入一个栅极电阻器可减小谐振
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' v- P8 v4 h2 t& g  d除了器件本身属性，也可以使用外部电路来防止发生寄生振荡，这里有两种方法：
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（1）为每个MOSFET的栅极插入一个栅极电阻器R1或一个铁氧体磁珠，这样可减小谐振电路的品质因数，从而减小正反馈环路的增益。实验证实，为并联的每个MOSFET插入串联栅极电阻器可以有效防止发生寄生振荡。

& _" x$ D) q4 c* R3 ]9 r$ X（2）在MOSFET的栅极和源极之间添加一个陶瓷电容器。
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在MOSFET栅极和源极之间添加陶瓷电容器能预防寄生振荡
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上述方法中，gm值较小的MOSFET价格会稍高，其他两种方法可由用户自行优化。不过，栅极电阻器会影响MOSFET的开关速度，电阻值会导致开关损耗增大；在栅极和源极之间添加电容器时应小心，电容器种类和容值选择不当会产生反作用。

ByElmer1

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