电机驱动和电源等大电流设计中的并联 MOSFET设计

在电机驱动和电源等大功率产品当中，我们通过量化参数配置对电流分配和功率耗散的影响来选择合适的功率 MOSFET。

以下以电机驱动为例。

tips：资料主要来自网络，仅供学习使用。

1.概述

在电机驱动等应用中，半桥拓扑（通常为 3 相）用于生成在电机中产生正扭矩或负扭矩的交流电源信
号。

想要更高的输出电流能力，只有通过并联形成每个功能开关的 MOSFET，才能实现高输出电流。

当多个功率 MOSFET 并联以增加系统整体电流能力容量时，通常假设电流在并联器件之间均等分配或均等
共享。然而，在并联 MOSFET 时，需要考虑并联器件之间的电流分配。PCB 布局的若干特性和特定的
MOSFET 参数会影响这种分配，并在参数不匹配或布局不对称时导致均流不平衡。

为了正确量化功率损耗和对系统性能的影响，需要考虑特定的系统属性：从布局和开关属性到负载电流和 PWM 方案。尽管这种分析是针对特定应用的，并且因系统而各异，但仍然可以得出一些一般性结论。

另外，我们强调并联 MOSFET 之间 VGS(th) 匹配的相关性，并结合 VGS(th) 失配强调跨导 (gfs) 对均流的影响。虽然低 gfs 可改善并联电流平衡，但考虑传导性也十分重要，因为低 gfs 可能伴随着更高的 RDS(on) 值。

2.评估交流电流输出负载下 MOSFET 的 功率损耗

使用两个 MOSFET 并联的 高低侧半桥电路模拟 MOSFET 参数对所产生的总功率损耗的影响。图1 所
示的简化电路模型已完美对称。但仍需考虑典型电路的寄生电感和走线电阻。MOSFET Q1 和 Q3 代表并联
的高侧开关。

在分析系统损耗时，必须区分瞬时损耗和平均损耗。瞬时功率耗散是一个动态的参数。MOSFET 损耗的主
要为以下瞬时损耗：

这些组成部分经常被单独观察和比较。然而，每个组成部分对总体损耗定量贡献在很大程度上取决于负载
电流的性质和所使用控制方案的类型。因此，要比较特定 MOSFET 参数与总体系统性能的相关性，需要
结合特定的应用来量化该参数对性能的影响。

平均功率耗散结合热特性决定了器件的温度，因此是系统性能的直接限制因素。平均损耗可细分为平均开
关损耗和平均传导损耗来分别分析开关损耗和导通损耗的贡献：

在相对简单的直流电流输出情况下，单个 PWM 周期足以提供估算稳态运行平均损耗所需的信息。与此不
同的是，计算正弦波输出电流的损耗需要考虑至少一个完整的正弦周期，因为每个 PWM 周期的电流幅值
都不同。

虑半桥电路输出为交流电流负载情况下 MOSFET 的损耗，这与电机驱动应用最相关，因此，根据以下等式，输出负载电流是给定幅值的正弦波：

应用的开关调制方案是 SPWM（正弦脉冲宽度调制），其条件和设置如表中定义。后面均为SPWM条件。

3.功率耗散不平衡和 VGS(th) 失配的影响

考虑到与并联 MOSFET 相关的不平衡性，个体的功率耗散对实现可靠的系统设计至关重要。因此，图表显示了与输出负载电流幅值相关的单个 MOSFET 的平均功率耗散。每张图都比较了至少两组不同条件下的结果。

解释这些结果的着重点始终是耗散最大功率的 MOSFET 的功率耗散。该 MOSFET（即“最热 MOSFET”）
是系统输出电流的瓶颈。

特定的 MOSFET 参数在失配时会以不同的方式影响均流。RDS(on) 的值在 MOSFET 导通期间会产生影响，而其他一些参数（VGS(th)、RG、CGS、CGD）会影响开关期间的均流。对布局严格对称的电路进行仿真，可以研究各个 MOSFET 参数的影响。

与其他参数相比，VGS(th) 失配对整体性能（耗散不平衡）的意义部分来自 MOSFET 量化的典型生产差异，
主要取决于它们如何影响不平衡。在一组并联 MOSFET 中，具有最低 VGS(th) 的 MOSFET 在导通和关断时均表现出开关损耗增加，而其他参数失配时则不会出现这种情况。另外，VGS(th) 负温度系数特性会进一步增加不平衡；然而，在下例中没有考虑温度相关性。

为了强调并联 MOSFET 之间 VGS(th) 匹配的重要性，Figure 2 对比了两种 VGS(th) 失配情况下 MOSFET 的功率耗散。

考虑到数据手册中的最大值和最小值，Figure 2 中的橙线显示了 VGS(th) 失配最差情况下的结果。对于给定
的输出电压，Q1 中耗散的功率可能是 Q3 中耗散功率的两倍。

从统计上看，不太可能出现这种极端失配情况；因此，考虑一个样本批次内的参数分布，对比结果中显示
了更“现实的最差”失配下的情况。Figure 2 中的绿线显示了 ∆VGS(th) = 0.5 V 的较小 VGS(th) 失配条件下的结
果。

功率耗散与 MOSFET 平均温度成正比，因此决定了系统输出电流的极限，因为在任何个体 MOSFET 的温
度都不得超过最高器件温度限制。

在并联 MOSFET 时确保低的电流不平衡对于缩小和优化系统尺寸至关重要。若电流不平衡增加，则往往
会造成大部分损耗集中在单个器件上，从而削弱并联的优势。

因此，在选择用于并联的 MOSFET 时，考虑 VGS(th) 的低生产差异至关重要。

4.跨导 (gfs) 对均流的影响

开关期间的电流不平衡受 ∆VGS(th) 的强烈影响；然而，它本身并未明确定义不平衡。当同时观察在不同跨
导值 (gfs) 下 VGS(th) 的影响时，可以看到对均流的有趣影响。gfs 值在整个 ID 范围内不是恒定的。Figure 3
显示了整个电流情况下 gfs 的的特性曲线，在数据手册中的参数（例如 gfs = 185）通常是在给定 ID 条件下
的值，该值与 Figure 3 中所示的特性曲线相对应。必须在模型中考虑全电流特性，以进行准确的仿真。

gfs 的减小会影响开关损耗和传导损耗。由于 RDS(on) 与 gfs 的隐性关联，选择 gfs 较低的 MOSFET 可能导
致传导损耗增加。较低的 gfs 也会减慢开关速度，因而开关损耗会增加。

为进行公平比较，在以下采用不同 gfs 值（Table 4）的示例中，开关速度（开关期间的 diD/dt）通过 RG
网络进行匹配。

Figure 4 显示了两个 gfs 值之间的比较，考虑了 Q1 和 Q3 之间 ∆VGS(th) = 0.5 V 时的 VGS(th) 失配情况。在较低的 gfs 中，Rg 值会减小以匹配开关期间的 diD/dt。

在匹配的开关特性下减小 gfs 可改善开关损耗不平衡。然而，由于较高的 RDS(on) 会增加传导损耗，从而增
加总损耗，总体性能会更差。

换言之，传导损耗的增加掩盖了均流改善所带来的好处。
另一方面，如果开关损耗因任何原因增加并占总损耗的主要部分，则平衡开关损耗的益处也会显而易见。
在改善均流和由此导致传导损耗增加之间有一个平衡点。

底线是一般准则只能指导我们到此为止——只有在考虑所有系统具体情况时才能实现优化。

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