- 引言
MOSFET 以其開關速度快，導通電阻低等優點在開關電源及電機驅動等領域中得到了廣泛應用，如: 電動自行車、電動汽車、電動工具、電動割草機的驅動器中均廣泛地應用了MOSFET。在大功率應用場合，往往需要多個MOSFET並聯使用。由於驅動電路、器件參數和電路佈局等的不一致,必將引起流過各並聯的MOSFET 電流不均衡或使MOSFET 漏極承受不同的電壓,器件可能因過電壓、過電流而損壞。另外，在並聯電路中如果驅動電路設計不當，有可能會引發寄生振盪, 導致器件因過壓而損壞。
因此本文對並聯使用MOSFET 時應注意的問題，作了詳細的介紹和分析，並給出解決方法。
- MOSFET並聯時的電流和電壓不均衡
眾所皆知，MOSFET 的RDS(on)為正溫度系數，RDS(on)隨著溫度的升高而升高，因此從這一點講MOSFET 適合並聯使用（並聯使用中MOSFET 具有自動均流的能力）。但是MOSFET 通常都工作在PWM 開關模式，在開關的動態過程中，有很多因素影響其電流和電壓的均衡性，而且頻率越高這種影響就越明顯。
在動態開關過程中，造成電流和電壓不均衡的因素有: 門檻電壓、轉移特性、柵極電荷、導通電阻、線路寄生電感、驅動電路參數等。其中門檻電壓、轉移特性、柵極電荷、導通電阻等，是由MOSFET 在生產加工過程中形成的，在應用中我們無法改變MOSFET 的這些自身參數,最多通過篩選來獲得較好的一致性，但這會增加成本。最有效的辦法，是在設計時通過合理的驅動電路，來保證MOSFET 在工作時的電流和電壓均衡性。
2.1. MOSFET 自身參數引起的電流不平衡
VGS(th)：由於並聯MOSFET 使用的是同一柵極驅動信號，門檻電壓低的MOSFET在導通時先于門檻電壓高的MOSFET 導通，從而流過較大電流，造成電流的不平衡。
gFS：由於MOSFET 在導通過程和關斷過程中工作于飽和區，其漏極電流由柵極電壓控制，因此具有不同跨導的MOSFET 在導通與關斷過程中，電流也會不平衡。
Qg：MOSFET 的柵極電荷Qg 對MOSFET 的導通速度有著一定的影響。當多個MOSFET 並聯時，Qg 小的MOSFET 開關速度快，Qg 大的MOSFET 開關速度慢，這樣也會造成流過MOSFET 的電流不平衡。
2.2. 驅動電路佈線引起的電流不平衡
如圖1 所示驅動電路，Q1 與Q2 並聯使用，其中Q1 柵極加入驅動電阻R1，Q2 柵極直接與驅動電阻R3 相連，這樣兩個並聯的MOSFET 柵極驅動電阻就不平衡。
圖1:驅動電路具有不平衡的驅動電阻
由圖２可以看出如果使用不對稱驅動電阻，會導致MOSFET 的柵極電壓波形不對稱，因此流過MOSFET 的電流也不一樣。任何並聯的MOSFET 都需要對稱的驅動電路，才能保證其在導通和關斷的過程中保持電流平衡。在設計中我們應儘量使並聯的MOSFET 具有相同的柵極驅動電阻。
圖2a 導通波型
圖2b 關斷波型
2.3. 驅動電路佈線引起的電壓不平衡
在大功率高頻應用場合線路的寄生電感，會對系統產生很大的影響。特別是在並聯MOSFET 時，過高的漏極電感會對MOSFET 的應用產生不利的影響，嚴重時導致MOSFET 提前失效。圖3 為MOSFET 在並聯佈線時引入了不等的漏極電感。假設Q1 的漏極電感為40nH，Q2 的漏極電感為20nH，使用AOT470 的模型進行仿真。
圖4 不同漏極電感模擬波形
MOSFET 關斷時的漏極電壓應為電源電壓加上感應電壓Ldi/dt。如果線路完全對稱，則關斷時兩個MOSFET 的電流變化率di/dt 相同，產生的感應電壓也應該相同，兩個MOSFET 承受相同的電壓。在漏極電感不同的情況下，由於Ldi/dt 的原因，在MOSFET 的漏極上產生了不同的感應電壓，不同的漏極電壓反過來又影響了MOSFET 關斷時的di/dt，最終導致Q1 承受較高的漏極電壓。
另外，由於Q1 的漏極電感L1 較大，L1 與AOT470的輸出電容Coss 和線路的回路電阻產生RLC 振盪，電感越大振鈴幅值越高，如圖4 中所示振鈴。這樣的振鈴和關斷時的感應電壓很容易超過MOSFET 的額定電壓，從而造成MOSFET 損壞。因此，在應用中我們應注意線路的寄生電感，佈線時應使寄生電感儘量小並且對稱。
- 並聯MOSFET時振盪的產生原因與抑制方法
在MOSFET 並聯使用時有很多設計者喜歡將MOSFET 的柵極直接並聯使用，事實上這樣容易引起MOSFET 的驅動電壓振盪，重時振盪的電壓幅值會超過MOSFET 的柵極和漏極電壓，導致MOSFET 因過壓而損壞。
3.1. 產生振盪的實例
圖6並聯MOSFET 有獨立驅動電阻時關斷波形
如圖5 所示，當兩個MOSFET 柵極直接並聯時，在MOSFET 導通和關斷時會產生振盪，頻率約為150MHz。這樣的振盪電壓疊加在柵極和漏極電壓上，很容易就超過器件的耐壓而使器件損壞。
如圖6 所示，當兩個MOSFET 柵極分別串聯獨立的驅動電阻時，MOSFET的柵極和漏極都未出現振盪，
而且由於串入的電阻相等，柵極和漏極的電壓波形幾乎相同，從而保證了並聯的MOSFET 在工作中流過基本相等的電流。產品的可靠性大大提高。
3.2. 原因分析
當MOSFET 並聯時會形成如圖7 所示的低阻抗回路。此回路由漏極電感、電容CGD 與柵極電阻組成，可以等效為RLC 串聯電路：
RLC 串聯電路的諧振頻率為：
(1)
RLC 串聯電路的品質因數為：
(2)
由式（2）可知，回路的阻抗越小其品質因數就越高，回路的選頻特性就越好，振盪的幅值也越高。因此為避免振盪的產生，當回路的阻抗很小時我們可通過給柵極分別串相等的電阻來抑制振盪。
AOT474 並聯時產生振盪是因為其較小的CGD，較小的CGD 使並聯回路的Q值較高。解決的方法是為每個並聯的MOSFET 串聯10 歐姆的柵極電阻從而降低Q 值，這樣就可以抑制MOSFET 的柵極振盪，如圖6 所示。下面我們通過電路模擬來進一步說明為什麼需要串聯電阻來抑制振盪。我們採用AOT474 的參數來設置模擬模型參數。由AOT474 數據手冊可知，AOT474 的內部柵極電阻為2.8 歐姆，CGD 電容為36pF。
假設實際回路的寄生電感為60nH。當MOSFET 柵極直接並聯時，柵極電阻和CGD 電容串聯後的等效電路如圖8a 所示，如果在柵極各串聯10 歐姆的電阻，則等效迴路如圖8b 所示。
圖8a 柵極直接相連RLC 迴路模型 圖8b 柵極各串聯10 歐姆電阻RLC 迴路模型
通過對圖8 電路進行交流小信號模擬分析，模擬結果如圖9 所示。可以看出紅色Q 曲線（對應圖8a 電路）的品質因數Q 很高，且諧振點在150MHz 附近，這與實際測得波形相吻合。在各串聯10 歐姆的柵極電阻後，其Q 曲線比較平坦，如圖9 中藍色曲線所示，這樣電路在工作中就不會產生振盪，可以獲得較好的柵極驅動波形。
圖9 RLC 串聯模擬結果
- 結語 Q&A
Q1: 在實際使用中為了最大限度地獲得並聯均衡，應該如何考慮選料?
Ans: 可以選用同型號同批次的器件加以並聯。
Q2: 如何避免MOSFET開關時振盪電壓疊加在柵極和漏極電壓上，使其超過器件的耐壓而使器件損壞?
Ans: 可以跟據不同的MOSFET 選用相等的獨立柵極驅動電阻。
Q3: 如何避免漏極寄生電感造成的問題?
Ans: 電路佈局對稱並盡可能緊湊，連線長度相同且儘量減短加粗，使漏極寄生電感盡可能小。
Q4: 影響暫態均流的主要電路參數,有哪些?
Ans: 有柵極電阻(Rg) ，柵極引線電感 (Lg) ，漏極引線電感 (Ld) ，源極引線電感 (Ls)等等。
Q5: 還有什麼方法可以最大限度的獲得並聯時的均流?
Ans: MOSFET之間,採用緊密的熱耦合，使各個MOSFET的溫度儘量一致。當具有獨立外殼的MOSFET並聯工作時，應置於同一個散熱片上,並且儘量靠近。
參考文獻
[1] 葛小荣 Power MOSFET paralleling application.
[2] IR-AN941. Paralleling HEXFET Power MOSFETs.
[3] 錢 敏，徐鳴謙. 功率MOSFET 並聯驅動特性分析[A]. 器件製造與應用 2007.11
參考來源