KA_IX

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MOSFET并联电路几个避不开的设计注意点

2021-4-1 16:10:49 显示全部楼层
MOSFET元件在理论上是可以并联使用的,目的是来增强电路的电流驱动能力。但在实际应用过程中,有很多问题是值得我们高度注意的,核心问题就是并不是所有的MOSFET性能参数都是完全一致的,设计时要充分考虑电路时刻工作在数据手册中的参数范围内,这样才能保证电路鲁棒性的同时,达成增强电流驱动能力的目的。
本文将介绍下面几个避不开的设计注意点:
  • 完全导通下的直流工作时的结合点温度
  • 影响功率分配的PCB布局方式
  • 动态工作时的栅极驱动
  • 感性负载能量的消耗
1-完全导通下的直流工作时的结合点温度
并联的MOSFET完全导通时,流过每个MOSFET的电流是和导通电阻Rdson成反比的。假设并联电路中的每个元件周围的温度及自身的热阻都一致的情况下,初始状态时,拥有低Rdson的元件会承载较高比例的电流,从而消耗更多的功率,元件的自身温度会随之上升。MOSFET的导通电阻Rdson有着正温度系数,电阻值会随着温度的上升而增大,流过的电流值就会减小,那么并联电路中的电流比例就会重新分配。在工作了一段时间后,电路达到了热平衡,但低导通电阻的MOSFET依旧是温度最高的。设计者就要确保并联电路中的任一元件的结合点温度都不超过数据手册中的Tjmax。
示例1:Tamb=125℃ ,Rthj-a=20K/W,三个MOSFET BUK764R0-40E并联的电路
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按上述的初始状态和最终热平衡状态分析,有着低导通电阻Rdson的元件M1的温度最高(174℃ ),接近于Tjmax=175℃,设计余量非常小,建议电路重新考虑。
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2-影响功率分配的PCB布局方式
对于提高热性能,元件结合点到外表面的热阻Rthjc是MOSFET固有的属性,电路的设计者是没有办法更改的,但是确实可以改变环境温度及元件到周围空气的热阻Rthja。并联使用时,做到热阻尽可能低的同时也要使电路中的每个元件的值一致,从而避免由于功率分配的不均导致某个元件过热损坏。那么PCB的布局就显得尤为重要。
下面列举了几种常用的理想的布局方式(颜色较深的阴影部分MOSFET的焊接衬底):
两个或者三个MOSFET并联电路的PCB布局:
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六个MOSFET并联电路的PCB布局:
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3-动态工作时的栅极驱动
并联MOSFET电路在动态的开关工作状态时,栅极驱动电路的设计起着重要的影响。首先,要确保栅极驱动电路的电压和电流的能力足以驱动并联电路中的所有元件。比如三个元件并联使用,每个元件要达成期望的开启速度,就需要2mA的驱动电流,那么三个元件并联就至少要满足6mA的驱动能力。其次,每个元件与栅极驱动电路之间都要串联一个栅极电阻(如下图中的R4,R5和R6)。栅极电阻的作用是取出组内MOSFET间的栅极耦合,以至于每个MOSFET都可以接收到一致的栅极驱动信号。每个MOSFET内的极间电荷是不一致的,那么如果没有这些电阻的话,在导通时拥有较低的栅极门限电压的元件的弥勒平台就会嵌住组内其他的元件的栅极电压,这就会抑制和延缓了其他元件的导通。关闭的过程也会是一样的效果。开关的时间不一致就会影响开关损耗的不同,这样就可能出现由于功率分配不均衡导致的热损坏。
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4-感性负载能量的消耗
当并联MOSFET电路用来驱动感性负载的时候,就要注意电路关闭时,存储在负载中的能量的泄放对元件的冲击。
感性负载端产生的能量一般足以超出漏极和源极之间的雪崩击穿电压VBRDSS。这就又出现了分配的问题:在数据手册中也击穿电压VBRDSS也会有一个范围值,那么拥有较低的VBRDSS值的元件就会率先被击穿,那么它的温度就会高于其他的元件,最终由于功率分配的不均衡导致失效。同样的VBRDSS是正温度系数的,这个也会影响组内MOSFET的能量分配。
那么解决的办法有两个:一是电路设计要确保任意一个MOSFET都要能在恶劣的温度下安全地流过在总的雪崩电流。二是通过下图所示的续流二极管将感性负载中的能量泄放掉,从而起到保护MOSFET的作用(但要注意负载的要求,因为在续流阶段仍有电流流过负载)。
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该内容转载自电子帮
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