MOSFET串聯(lián)技術(shù)在電力工程電源中的應(yīng)用*

尹強(qiáng)，任曉丹，熊澤成

（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

MOSFET串聯(lián)技術(shù)在電力工程電源中的應(yīng)用*

尹強(qiáng)，任曉丹*，熊澤成

（許繼電源有限公司，河南許昌461000）

為滿足高壓輸入、高功率密度的要求，分析了MOSFET串聯(lián)的靜態(tài)均壓與動態(tài)均壓理論，結(jié)合反激DC/DC變換器拓?fù)洌捎肦CD箝位電路技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于MOSFET串聯(lián)的電力工程電源。實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)運(yùn)行可靠，市場競爭力強(qiáng)。

MOSFET；串聯(lián)；靜態(tài)均壓；動態(tài)均壓；反激

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，功率MOSFET以其高頻性能好、開關(guān)損耗小、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小等優(yōu)點(diǎn)在電源中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。功率MOSFET必須在其額定的電流和電壓下工作，才能保證器件不被損壞，但在一些應(yīng)用領(lǐng)域，需要對大電流、高電壓進(jìn)行控制，對功率MOSFET的電流容量、耐壓能力要求較高，但可能沒有滿足這種要求的器件，即或有價(jià)格也非常昂貴，因而對功率MOSFET電流容量、耐壓能力的擴(kuò)展技術(shù)研究就顯得很有必要。

將MOSFET串聯(lián)使用，可以有效解決單個(gè)MOS?FET耐壓等級低的缺陷，且成本較低。這里采用MOSFET串聯(lián)技術(shù)，但因MOSFET的自身參數(shù)和電路參數(shù)不匹配，將導(dǎo)致器件串聯(lián)應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)電壓分配不均的問題，嚴(yán)重的電壓分配不均，會使串聯(lián)的MOS? FET過壓，以致燒壞［3］。本文通過靜態(tài)、動態(tài)均壓理論分析，總結(jié)MOSFET串聯(lián)使用的一般性原則，采用共用驅(qū)動電路及無源吸收回路技術(shù)，將2只MOSFET串聯(lián)使用，應(yīng)用于高壓輸入的電力工程電源中。

1　影響MOSFET串聯(lián)均壓的主要因素［3　-6?。?/h2>

在MOSFET串聯(lián)運(yùn)行過程中，各個(gè)MOSFET器件都會經(jīng)過開通、通態(tài)、關(guān)斷、斷態(tài)等幾個(gè)階段。通態(tài)和斷態(tài)時(shí)，MOSFET上的電壓基本保持不變或只有緩慢的變化，因此屬于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；開通和關(guān)斷時(shí)，MOSFET上承受的電壓則會發(fā)生快速的變化，因此屬于一個(gè)動態(tài)過程。所以，MOSFET電壓不均的主要因素有兩種：靜態(tài)電壓不均和動態(tài)電壓不均。

1.1靜態(tài)均壓

靜態(tài)電壓不均主要由通態(tài)時(shí)MOSFET的等效電阻、斷態(tài)漏電流（等效電阻）、MOSFET的溫度及主電路走線電阻不一致造成。

1.1.1通態(tài)參數(shù)影響

兩個(gè)特性不一致的器件MOSFET1和MOS?FET2串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的電壓分配情況如圖1所示。

圖1　MOSFET串聯(lián)電路

根據(jù)靜態(tài)時(shí)的電路原理可知：

由MOSFET串聯(lián)可得：

MOSFET溫度與導(dǎo)通電阻之間的關(guān)系如圖2所示，隨著溫度的升高，導(dǎo)通電阻增大。串聯(lián)的MOS?FET的溫度不同，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻不同，進(jìn)而影響通態(tài)導(dǎo)通壓降不同。雖然導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，但是其溫度系數(shù)不大，當(dāng)導(dǎo)通電阻相差很大時(shí)，其通態(tài)導(dǎo)通壓降會很大。

圖2　MOSFET溫度與導(dǎo)通電阻關(guān)系圖

1.1.2斷態(tài)參數(shù)影響

當(dāng)MOSFET處于完全斷態(tài)時(shí)，其內(nèi)部的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏源極之間只有微弱的漏電流流過或者無電流流過，在斷態(tài)電壓的作用下，相當(dāng)于一個(gè)大電阻。而由于MOSFET器件在制造時(shí)的差異性，造成器件本身PN結(jié)特性的不一致，從而使得斷態(tài)時(shí)串聯(lián)MOSFET中各個(gè)器件上的漏電流大小不同（等效電阻不同）。這樣在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，整個(gè)串聯(lián)閥中各個(gè)器件上的電壓分布也不均衡。

當(dāng)MOSFET器件處于斷態(tài)時(shí)，其漏電流會隨著溫度的增加而顯著增大。一個(gè)MOSFET器件的結(jié)溫從25℃增加到125℃時(shí)，其漏電流可能會增加到10倍以上，從而其等效電阻將急劇減小。因此串聯(lián)MOSFET中各個(gè)器件上的溫度如有較大的差異，將會造成各器件上電壓分布的嚴(yán)重不平衡。所以，導(dǎo)通電阻和MOSFET溫度是影響靜態(tài)電壓不均衡的主要因素。因此要選擇導(dǎo)通電阻和等效電阻不均性小的器件進(jìn)行串聯(lián)使用。

1.2動態(tài)均壓

在動態(tài)過程中，器件上會經(jīng)歷急劇的電壓、電流變化給器件造成很大的應(yīng)力，并且這個(gè)過程一般比穩(wěn)態(tài)過程的時(shí)間要短得多，所以對其控制也更加困難。動態(tài)電壓不均則是由于功率器件的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間不一致所造成的。造成開關(guān)時(shí)間不一致的主要因素有：元器件參數(shù)特性的不均性；主電路走線與配線電感不均性，即線路雜散電感；驅(qū)動延時(shí)及門極振蕩（寄生參數(shù)）。

驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證觸發(fā)的同時(shí)性，因?yàn)楫?dāng)觸發(fā)信號的延遲能限制在0.3 μs以內(nèi)時(shí)，不會引起嚴(yán)重的失衡過電壓問題。

對串聯(lián)MOSFET器件組成的閥來說，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間短的MOSFET具有較大的電壓上升率，而關(guān)斷延時(shí)時(shí)間長的MOSFET具有較小的電壓上升率。如此，先關(guān)斷的MOSFET將分擔(dān)較大的電壓，而后關(guān)斷的MOSFET將分擔(dān)較小的電壓。

1.3MOSFET串聯(lián)使用原則［7］

1.3.1功率器件的選擇

通過選擇具有正溫度系數(shù)、同型號、同批次并且內(nèi)部參數(shù)分散小的MOSFET，提高器件參數(shù)的一致性，使靜態(tài)均壓達(dá)到最好。

1.3.2對稱布局的設(shè)置

串聯(lián)單元的功率回路和驅(qū)動回路印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)要合理對稱布局，功率管盡量靠近且對稱，驅(qū)動回路各引線長度盡量等長且盡量加粗和縮短，已提高并聯(lián)MOSFET的均壓效果。

1.3.3寄生振蕩的消除

柵極去耦電阻、柵極引線電感、源極引線電感、漏極引線電感等寄生電感和電路結(jié)構(gòu)對電壓均分也有重要影響。通過在每個(gè)功率管的柵極串入鐵氧體磁珠，同時(shí)增加一個(gè)小電阻，降低電路的品質(zhì)因數(shù)，消除寄生振蕩。

1.3.4耦合方式的分布

串聯(lián)MOSFET的柵極采用非直接耦合，同時(shí)將串聯(lián)器件放置在同一散熱裝置上，加強(qiáng)各并聯(lián)器件之間的熱耦合。此外，散熱裝置接大地，減小功率器件與散熱器之間的分布電容對驅(qū)動的影響。

1.3.5應(yīng)用裕量的降額

即使MOSFET器件的選擇、優(yōu)化布局及消除寄生振蕩已達(dá)到最優(yōu)，但其靜態(tài)和動態(tài)性能仍不可能達(dá)到理想的均衡。同時(shí)考慮使用環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境及器件壽命等因素要求，在使用MOSFET時(shí)要留有足夠的裕量。

2　MOSFET串聯(lián)反激電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一款直流輸入電壓（405 V～615 V）DC，多路輸出電壓的電力工程輔助電源，其輸入電路采用2只MOSFET串聯(lián)，型號為FQPF6N90C，電路拓?fù)湓砣鐖D3所示［6，8］。

圖3　反激DC/DC拓?fù)湓砜驁D

2.1箝位電路設(shè)計(jì)［9-10］

（1）箝位電壓

其中：k為降額使用系數(shù)；V（BR）DSS為功率管的漏源極擊穿電壓；Vin max為直流輸入電壓最大值。

（2）箝位電阻

根據(jù)箝位電阻損耗的能量等于漏感中存儲的能量和副邊折射到原邊電壓提供的能量之和，可以得到：

其中：VOR為副邊折射到原邊的電壓；llk為變壓器原邊漏感；fs為開關(guān)頻率；Ids-peak為原邊峰值電流。

（3）箝位電容

功率管關(guān)斷時(shí)，漏感中存儲的能量轉(zhuǎn)移到電容中，可以得到：

2.2緩沖電路設(shè)計(jì)

（1）緩沖電容

其中：Csx為緩沖電容；ls為寄生電感和漏感之和；Ids-off為功率管關(guān)斷電流；VDSP為緩沖電容達(dá)到的最大電壓值；E為功率管關(guān)斷后的穩(wěn)態(tài)電壓。

（2）緩沖電阻

在功率管下一次關(guān)斷之前將存儲在緩沖電容中能量釋放掉，即

2.3MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動電路采用控制芯片UC3845，輸出1路驅(qū)動PWM波，然后經(jīng)驅(qū)動芯片IXDN409SI及PBSS4540Z和PBSS5540Z組成的達(dá)林頓方式增加驅(qū)動能力，再經(jīng)隔離驅(qū)動變壓器后，驅(qū)動電路驅(qū)動2只串聯(lián)的MOSFET，如圖4所示。

圖4　2只串聯(lián)MOSFET的驅(qū)動波形

3　實(shí)驗(yàn)

研制出的電力工程輔助電源，輸入電壓為405 V～ 615 V DC，控制電壓為15 V左右，輸出電壓為5 V和12 V，采用自冷設(shè)計(jì)。測試儀器：數(shù)字示波器為MS03014，隔離差分探頭P5200，溫槍RAYST20XBAP。

2只MOSFET驅(qū)動的開通及關(guān)斷一致性較好，如圖5所示，從而確保了功率管的開通及關(guān)斷一致性，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性提供了有力保證。串聯(lián)MOSFET的電壓波形一致性好，如圖6所示，且受干擾較小，證實(shí)了MOSFET均壓及箝位效果好。

圖5　2只串聯(lián)MOSFET的驅(qū)動波形

圖6　2只串聯(lián)MOSFET的電壓波形

從上電開機(jī)、穩(wěn)定工作到烤機(jī)兩小時(shí)的過程中，測試2只串聯(lián)MOSFET的溫度，如圖7所示。通過測試表明，2只MOSFET管的溫度較為接近，近一步表明功率管的串聯(lián)設(shè)計(jì)具有很好的均壓性能。

圖7　2只并聯(lián)MOSFET的溫度曲線

根據(jù)MOSFET串聯(lián)使用的原則，結(jié)合反激DC/DC變換器拓?fù)?，采用RCD箝位電路技術(shù)，設(shè)計(jì)的電力工程輔助電源已經(jīng)在變電站系統(tǒng)、鐵路牽引站系統(tǒng)中使用，運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，成本低，得到了用戶的好評，市場競爭力很強(qiáng)，同時(shí)對輸入高壓小電流的應(yīng)用場合的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

［1］錢敏，徐鳴謙，米智楠.功率MOSFET并聯(lián)驅(qū)動特性分析［J］.

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尹強(qiáng)（1984-），男，山東臨沂，碩士，工程師，主要從事電能變換技術(shù)研究及發(fā)電廠、變電站直流電源技術(shù)的研究應(yīng)用，yin-1-qiang@163.com；

任曉丹（1986-），女，河南濮陽，碩士，工程師，主要從事電能變換、充電技術(shù)及監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域的研究，renxiaodandy@ 126.com。

Application of Electricity Engineering Power Sources Based on Series MOSFETs*

YIN Qiang，REN Xiaodan*，XIONG Zecheng
（Xu Ji Power CO.，LTD.，Xu Ji Group Corporation，Xuchang Henan 461000，China）

The requirements of high power density and high efficiency are proposed with the development of power electronic technology in electric power system.The theory of static voltage sharing and dynamic voltage sharing for series MOSFETs is analyzed.The topology of flyback DC/DC converter is adopted.The technology of RCD snubber circuit is used.The electricity engineering power sources is designed based on series MOSFETs technology.The ex?perimental results and practical application show that the design is reliable in operating and the market competitive?ness is strong.

MOSFET；series；static voltage sharing；dynamic voltage sharing；flyback

TM910.3

A

1005-9490（2016）02-0420-05

EEACC：821010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.035

項(xiàng)目來源：國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目

2015-05-06修改日期：2015-06-23