Nexperia均流技术的并行MOSFET设计应用

多年来，功率MOSFET一直是高功率应用的支柱，能够可靠地提供大电流。然而，随着功率应用技术的进步，需要极高水平的电流。这些应用已达到功率水平要求，而一个MOSFET的实现已不再足够，这迫使设计人员不得不将MOSFET并联放置。

并联MOSFET的问题和解决方案

为了实现良好的并联设计，传统上是通过筛选来选择MOSFET的，因为它们的阈值电压相似，以确保它们同时导通。但是，屏蔽的MOSFET会增加成本和复杂度，并且仍然容易受到温度不稳定的影响。因此，通过考虑到上述问题，无需额外的筛选过程，专用的MOSFET技术就可以在并行应用中提供更好的解决方案。

电流共享与MOSFET中的两种主要模式有关：动态（即，开关转换）和稳态/传导（即，通过导通电阻）。稳态期间的电流共享对于MOSFET本质上是稳定的，因此不在本文讨论范围之内。本说明的重点是动态过程中的电流共享。在切换期间，并行设备同时打开很重要。在其中一个并联MOSFET的导通时间比其他MOSFET早的情况下，该器件将传导全部系统电流，直到另一器件导通为止，从而使其有磨损和潜在故障的风​​险。MOSFET中不同时间的导通归因于VGS的自然扩散阈值电压。无论制造商或技术如何，都不能保证两个MOSFET具有相同的阈值电压。为了克服这个问题，设计人员通常采用一种解决方案，即通过匹配的阈值电压来筛选和选择MOSFET，从而缩小了取值范围。这需要额外的制造过程，这增加了成本和复杂性。

VGS阈值电压的匹配是一种有效的方法，但不能解决与VGS作为参数相关的所有问题。阈值电压取决于温度，并且具有负温度系数，这意味着如果温度升高，则器件阈值电压电平会降低。如果设备在不同温度下运行，则它们的Vth之差将更大。这是由于温度不匹配导致较热的器件的Vth电平下降，从而导通时间更早。因此，当放在实际应用中时，在理想的制造环境中被认为匹配的设备不一定会保持匹配状态。这种效果如图1和2所示。

图1：将常规技术与电流共享技术在低温下进行比较

图2：在施加热量时将常规技术与均流技术进行比较

在温度下均流

图1和2显示了在并行应用程序中测得的结果。在图1中，最上面的两条迹线（蓝色和黄色）是两条PSMN2R0-100SSF[i]使用常规技术的设备，其阈值电压之间的差值为0.5V。底部的两条迹线，绿色和红色是采用Nexperia均流技术的器件，其阈值电压具有相同的0.5V分布。使用常规技术和Nexperia均流技术的两种测试均具有相同的电路设计，以相同的频率驱动相同的电感负载。对于常规和均流技术，热量将以较低的阈值电压同时，在温度和速率（分别为蓝色和绿色）时施加到设备。将图2与图1进行比较可知，与Nexperia均流技术相比，常规技术在温度下不稳定。其背后的原因是Nexperia均流技术不依赖阈值电压来保持匹配以均匀地共享电流。这很重要，因为现实生活中的应用不一定会在PCB上所有并联的MOSFET上实现均匀的温度。因此，在制造环境中进行筛选和匹配的设备在实际应用中可能不会保持匹配状态。

高电流分流

与前面提到的制造筛选过程方法相比，Nexperia均流技术解决了在技术本身内实现更均等电流共享的问题。使用具有Nexperia均流技术的MOSFET意味着设计工程师不再需要依赖Vth参数被匹配。如图3和图4所示，该技术在温度下稳定，并提供更好的电流共享性能，与Nexperia电流相比，该技术显示了实际测量结果，与已选择的阈值电压扩展为0.5V的常规技术进行了比较。共享技术，其阈值电压也具有相同的0.5V扩展。通过将每种技术的两个设备放在同一块板上，以相同的频率驱动相同的电感负载并捕获流过它们的电流来捕获结果。在此示例中，每个以20 kHz开关的设备的电流约为75A。但是，与常规技术相比，并联设备之间的峰值电流差异超过30 A，而Nexperia均流技术差异仅为5A。

图3：阈值电压扩展为0.5V的常规技术

图4：Nexperia均流技术，阈值电压扩展为0.5V

值得指出的是，与图4相比，常规技术大约需要5 µs才能开始更平均地开始共享电流，在图4中，器件在不到0.5 µs的时间内开始平均共享。对于常规技术，具有较低Vth的器件将增加应力，增加磨损并增加故障风险。进行的进一步测试（此处未显示）表明，电流共享的动态响应是恒定的，这意味着如果要增加频率，则动态响应仍将是相同的。因此，Nexperia均流技术也可以在更高频率下切换的应用中受益。

结论

如实际实验室测量所示，Nexperia均流技术为并行MOSFET设计应用带来了明显的好处。它提供了一种技术解决方案，该技术解决方案不需要基于Vth的屏蔽，也不依赖于Vth来实现更均等的均流。该技术解决了在较高电流下甚至电流均分的问题，并且可以抵抗整个PCB上的温度变化-就像实际应用中会遇到的那样。

Nexperia应用工程师Stein Nesbakk

编辑：hfy