串聯使用功率 MOSFET

2021-08-20

串聯使用功率 MOSFET

功率 MOSFET 支持大量電子系統，特別是在 BJT 無用或無效的情況下。MOSFET 可用于并聯排列的大電流系統，但串聯使用又如何呢？您通常不會在較小的開關轉換器中看到任何一種布置，因為有許多現成的 MOSFET 可以提供所需的電流而不會出現故障。然而，一旦您開始考慮使用小尺寸開關系統提供高電壓/高電流，您就需要考慮 MOSFET 的這些布置。

MOSFET 的兩種排列都有設計人員應考慮的缺陷。讓我們看看串聯的 MOSFET，因為它們在某些系統中非常有用，但在設計電路和 PCB 時要小心，以確保可靠性。

串聯使用功率 MOSFET

一系列串聯的 MOSFET 將使其源極和漏極相互連接。這種布置隨后可用于驅動串聯的低阻抗負載或并聯的高阻抗負載。以下電路圖顯示了最簡單的 MOSFET 串聯排列：

與負載組件串聯的 MOSFET 的最簡單電路。

在該電路中，VDD 根據基爾霍夫電壓定律分布在兩個 MOSFET 上。兩者都必須在同一時刻開啟，以便電流流過負載。這基本上像與門一樣運行，但可能在非常高的電壓或電流下運行。

另一種可能的安排是在推挽安排中使用串聯 MOSFET，就像 CMOS 緩沖器一樣：

MOSFET 與推挽式負載串聯。

在這種類型的電路中，只要頂部 MOSFET (M1) 導通，下部 MOSFET (M2) 就可以通過導通或關斷來轉移負載的電流。這對于高阻抗負載來說是理想的，其中 M2 只是在負載不需要電流時轉移電流。

您可以制定許多其他串聯 MOSFET 示例。這些串聯 MOSFET 陣列的一些應用包括：

電流饋電逆變器

高壓頻閃儀

高壓諧振槽路驅動器

用于 Vg MOSFET 的推挽驅動器電路

高壓專用邏輯緩沖器和放大器

多相開關驅動器

您會注意到，這些應用包含“高電壓”一詞是有充分理由的，這與我們開始使用串聯元件的根本原因有關。要了解原因，將這些電路與并聯的 MOSFET 進行比較會有所幫助。

串聯與并聯 MOSFET

在之前的一篇文章中，我提出了一些關于并聯放置和使用 MOSFET 的要點，以及可能導致這些電路的一些電氣行為。MOSFET 并聯放置的主要原因是在所有 MOSFET 同時導通時獲得更大的電流。由于這些晶體管并聯放置，因此它們的輸出電流根據基爾霍夫電流定律相加。這并不完全正確，因為您需要添加一些小電阻來抑制任何寄生振蕩，尤其是在高功率系統中。然而，并聯電路的類比效果很好并且有效地描述了當整個陣列同時開啟時會發生什么。

實際上，該陣列就像一個具有更大額定電流但額定電壓相同的單個晶體管。這種布置是驅動大電流電機、為大電流開關穩壓器或任何其他需要開關元件提供大量電流的系統提供電流的標準方式。由于一些重要原因，總電壓額定值的相同想法實際上并不適用于串聯 MOSFET。

串聯 MOSFET 不能總是處理更高的電壓

在串聯布置中，該組 MOSFET 將像單個大型 MOSFET 一樣具有更高的額定電壓但額定電流相同。這在實踐中并不總是奏效。

要了解原因，請考慮上述電路之一中 VDD = 100 V 的情況。我們可以想象使用最大額定電壓為 50 V 的相同 MOSFET；通過將它們串聯，它們每個只會經歷 50 V，而不是完整的 100 V。 現在考慮如果 M2 打開而 M1 關閉時會發生什么：M1 具有高 R_off 電阻，因此它占用整個 100 V 并且超過它的 50 V 額定值，隨后它失敗了。

串聯排列的 MOSFET。

這應該說明了上面第一張圖中驅動電路的重要性：一切都需要在正確的時刻開啟。如果您串聯使用 MOSFET 來驅動電感負載或諧振回路負載，強烈建議同時放置電容器和一些 ESD 保護（例如，反激二極管）以防止大電壓尖峰損壞您的 MOSFET。

并聯、串聯還是兩者兼而有之？

關于何時使用并聯或串聯排列的 MOSFET 沒有硬性規定。在具有高功率傳輸要求和需要快速開關（例如使用 PWM）的系統中，并聯布置是標準配置。電機驅動器電路就是完美的例子。同時，高壓輸送需要串聯陣列，而不一定是大電流。如果您考慮一下，您當然可以使用組合（多個串聯陣列，全部并聯放置），盡管因此您的驅動電路會變得非常復雜。

顯示串聯和并聯 MOSFET 組合的示例電路圖如下所示。我在這個圖中留下了一個用于負載和驅動電路的塊，后者可能非常復雜。這樣的驅動系統需要一些邏輯和可能的快速反饋回路才能正常運行并確保在驅動陣列時每個串聯支路都完全開啟。

具有單個負載組件的串并聯布置示例。

使用串聯和并聯 MOSFET 啟用的另一個選項是多相開關。當每個并聯 MOSFET 都以相同的 PWM 頻率驅動，但它們在相位上是分開的時，陣列表現為以更高的頻率驅動。這是在開關轉換器中實現極低噪聲操作的一種技巧。雖然您不能使用串聯的獨立 MOSFET 陣列來做到這一點，但您可以將串聯支路并聯起來以創建如上所示的分相驅動器。

這是一個非常有效的技巧，可以降低電源系統中的噪聲，同時仍以高頻運行，例如在需要更高頻率運行的 RF 電源中。我計劃在即將發布的文章中介紹多相電源轉換器，因為這些轉換器對于為低噪聲、高頻模擬系統（例如RF 功率放大器）供電至關重要。這是一個很少討論的電源轉換領域，它需要更復雜的驅動電路，但在許多系統中它是一種有效的技術和標準拓撲。