MOSFET串联技术在电力工程电源中的应用*

尹强，任晓丹，熊泽成

（许继电源有限公司，河南许昌461000）

MOSFET串联技术在电力工程电源中的应用*

尹强，任晓丹*，熊泽成

（许继电源有限公司，河南许昌461000）

为满足高压输入、高功率密度的要求，分析了MOSFET串联的静态均压与动态均压理论，结合反激DC/DC变换器拓扑，采用RCD箝位电路技术，设计了基于MOSFET串联的电力工程电源。实验及实践表明，该设计运行可靠，市场竞争力强。

MOSFET；串联；静态均压；动态均压；反激

随着电力电子技术的飞速发展，功率MOSFET以其高频性能好、开关损耗小、输入阻抗高、驱动功率小等优点在电源中得到了广泛的应用［1-2］。功率MOSFET必须在其额定的电流和电压下工作，才能保证器件不被损坏，但在一些应用领域，需要对大电流、高电压进行控制，对功率MOSFET的电流容量、耐压能力要求较高，但可能没有满足这种要求的器件，即或有价格也非常昂贵，因而对功率MOSFET电流容量、耐压能力的扩展技术研究就显得很有必要。

将MOSFET串联使用，可以有效解决单个MOS⁃FET耐压等级低的缺陷，且成本较低。这里采用MOSFET串联技术，但因MOSFET的自身参数和电路参数不匹配，将导致器件串联应用时出现电压分配不均的问题，严重的电压分配不均，会使串联的MOS⁃ FET过压，以致烧坏［3］。本文通过静态、动态均压理论分析，总结MOSFET串联使用的一般性原则，采用共用驱动电路及无源吸收回路技术，将2只MOSFET串联使用，应用于高压输入的电力工程电源中。

1　影响MOSFET串联均压的主要因素［3　-6　］

在MOSFET串联运行过程中，各个MOSFET器件都会经过开通、通态、关断、断态等几个阶段。通态和断态时，MOSFET上的电压基本保持不变或只有缓慢的变化，因此属于相对稳定的状态；开通和关断时，MOSFET上承受的电压则会发生快速的变化，因此属于一个动态过程。所以，MOSFET电压不均的主要因素有两种：静态电压不均和动态电压不均。

1.1静态均压

静态电压不均主要由通态时MOSFET的等效电阻、断态漏电流（等效电阻）、MOSFET的温度及主电路走线电阻不一致造成。

1.1.1通态参数影响

两个特性不一致的器件MOSFET1和MOS⁃FET2串联运行时的电压分配情况如图1所示。

图1　MOSFET串联电路

根据静态时的电路原理可知：

由MOSFET串联可得：

MOSFET温度与导通电阻之间的关系如图2所示，随着温度的升高，导通电阻增大。串联的MOS⁃FET的温度不同，导致导通电阻不同，进而影响通态导通压降不同。虽然导通电阻具有正温度系数，但是其温度系数不大，当导通电阻相差很大时，其通态导通压降会很大。

图2　MOSFET温度与导通电阻关系图

1.1.2断态参数影响

当MOSFET处于完全断态时，其内部的PN结处于反偏状态，漏源极之间只有微弱的漏电流流过或者无电流流过，在断态电压的作用下，相当于一个大电阻。而由于MOSFET器件在制造时的差异性，造成器件本身PN结特性的不一致，从而使得断态时串联MOSFET中各个器件上的漏电流大小不同（等效电阻不同）。这样在关断状态时，整个串联阀中各个器件上的电压分布也不均衡。

当MOSFET器件处于断态时，其漏电流会随着温度的增加而显著增大。一个MOSFET器件的结温从25℃增加到125℃时，其漏电流可能会增加到10倍以上，从而其等效电阻将急剧减小。因此串联MOSFET中各个器件上的温度如有较大的差异，将会造成各器件上电压分布的严重不平衡。所以，导通电阻和MOSFET温度是影响静态电压不均衡的主要因素。因此要选择导通电阻和等效电阻不均性小的器件进行串联使用。

1.2动态均压

在动态过程中，器件上会经历急剧的电压、电流变化给器件造成很大的应力，并且这个过程一般比稳态过程的时间要短得多，所以对其控制也更加困难。动态电压不均则是由于功率器件的开通时间和关断时间不一致所造成的。造成开关时间不一致的主要因素有：元器件参数特性的不均性；主电路走线与配线电感不均性，即线路杂散电感；驱动延时及门极振荡（寄生参数）。

驱动电路的设计应保证触发的同时性，因为当触发信号的延迟能限制在0.3 μs以内时，不会引起严重的失衡过电压问题。

对串联MOSFET器件组成的阀来说，关断延时时间短的MOSFET具有较大的电压上升率，而关断延时时间长的MOSFET具有较小的电压上升率。如此，先关断的MOSFET将分担较大的电压，而后关断的MOSFET将分担较小的电压。

1.3MOSFET串联使用原则［7］

1.3.1功率器件的选择

通过选择具有正温度系数、同型号、同批次并且内部参数分散小的MOSFET，提高器件参数的一致性，使静态均压达到最好。

1.3.2对称布局的设置

串联单元的功率回路和驱动回路印制电路板设计时要合理对称布局，功率管尽量靠近且对称，驱动回路各引线长度尽量等长且尽量加粗和缩短，已提高并联MOSFET的均压效果。

1.3.3寄生振荡的消除

栅极去耦电阻、栅极引线电感、源极引线电感、漏极引线电感等寄生电感和电路结构对电压均分也有重要影响。通过在每个功率管的栅极串入铁氧体磁珠，同时增加一个小电阻，降低电路的品质因数，消除寄生振荡。

1.3.4耦合方式的分布

串联MOSFET的栅极采用非直接耦合，同时将串联器件放置在同一散热装置上，加强各并联器件之间的热耦合。此外，散热装置接大地，减小功率器件与散热器之间的分布电容对驱动的影响。

1.3.5应用裕量的降额

即使MOSFET器件的选择、优化布局及消除寄生振荡已达到最优，但其静态和动态性能仍不可能达到理想的均衡。同时考虑使用环境、运行环境及器件寿命等因素要求，在使用MOSFET时要留有足够的裕量。

2　MOSFET串联反激电路设计

根据上述设计原则，设计了一款直流输入电压（405 V～615 V）DC，多路输出电压的电力工程辅助电源，其输入电路采用2只MOSFET串联，型号为FQPF6N90C，电路拓扑原理如图3所示［6，8］。

图3　反激DC/DC拓扑原理框图

2.1箝位电路设计［9-10］

（1）箝位电压

其中：k为降额使用系数；V（BR）DSS为功率管的漏源极击穿电压；Vin max为直流输入电压最大值。

（2）箝位电阻

根据箝位电阻损耗的能量等于漏感中存储的能量和副边折射到原边电压提供的能量之和，可以得到：

其中：VOR为副边折射到原边的电压；llk为变压器原边漏感；fs为开关频率；Ids-peak为原边峰值电流。

（3）箝位电容

功率管关断时，漏感中存储的能量转移到电容中，可以得到：

2.2缓冲电路设计

（1）缓冲电容

其中：Csx为缓冲电容；ls为寄生电感和漏感之和；Ids-off为功率管关断电流；VDSP为缓冲电容达到的最大电压值；E为功率管关断后的稳态电压。

（2）缓冲电阻

在功率管下一次关断之前将存储在缓冲电容中能量释放掉，即

2.3MOSFET驱动电路设计

驱动电路采用控制芯片UC3845，输出1路驱动PWM波，然后经驱动芯片IXDN409SI及PBSS4540Z和PBSS5540Z组成的达林顿方式增加驱动能力，再经隔离驱动变压器后，驱动电路驱动2只串联的MOSFET，如图4所示。

图4　2只串联MOSFET的驱动波形

3　实验

研制出的电力工程辅助电源，输入电压为405 V～ 615 V DC，控制电压为15 V左右，输出电压为5 V和12 V，采用自冷设计。测试仪器：数字示波器为MS03014，隔离差分探头P5200，温枪RAYST20XBAP。

2只MOSFET驱动的开通及关断一致性较好，如图5所示，从而确保了功率管的开通及关断一致性，为系统的稳定性、可靠性提供了有力保证。串联MOSFET的电压波形一致性好，如图6所示，且受干扰较小，证实了MOSFET均压及箝位效果好。

图5　2只串联MOSFET的驱动波形

图6　2只串联MOSFET的电压波形

从上电开机、稳定工作到烤机两小时的过程中，测试2只串联MOSFET的温度，如图7所示。通过测试表明，2只MOSFET管的温度较为接近，近一步表明功率管的串联设计具有很好的均压性能。

图7　2只并联MOSFET的温度曲线

根据MOSFET串联使用的原则，结合反激DC/DC变换器拓扑，采用RCD箝位电路技术，设计的电力工程辅助电源已经在变电站系统、铁路牵引站系统中使用，运行稳定，故障率低，成本低，得到了用户的好评，市场竞争力很强，同时对输入高压小电流的应用场合的设计具有借鉴意义。

［1］钱敏，徐鸣谦，米智楠.功率MOSFET并联驱动特性分析［J］.

4　结论

半导体技术，2007，32（11）：951-956.

［2］陈毓辉.功率MOS管并联方法的研究［J］.自动化技术与应用，2012，31（5）：72-76.

［3］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.第4版.北京：机械工业出版社，2001：40-41.

［4］庞辉，温家良，贺之渊，等.大功率IGBT串联电压不平衡机制研究［J］.中国电机工程学报，2011，7（25）：1-7.

［5］杨朝晖，陈昭炜，罗洋.适用于IGBT串联的有源钳位动态电压均衡电路研究［J］.高压电器，2013，49（3）：24-28.

［6］候凯，李伟邦，范镇淇，等.基于有源电压控制法和无源缓冲法的IGBT串联均匀技术［J］.电力系统自动化，2013，37（19）：116-121.

［7］刘平，藏振刚，张志，等.功率MOSFET串联均压问题研究［J］.微计算机信息，2008，24（12）：240-241.

［8］王莉，吴新科，钱照明.MOSFET串联在高输入电压反激变流器中的研究［J］.电力电子技术，2012，46（6）：31-33.

［9］樊永隆.反激式变换器中RCD箝位电路的设计［J］.电源技术应用，2006（12）：47-49.

［10］詹艳军，杨笔锋，涂永生.基于UC3842反激式开关电源的设计［J］.微计算机信息，2008，24（3）：130-131.

尹强（1984-），男，山东临沂，硕士，工程师，主要从事电能变换技术研究及发电厂、变电站直流电源技术的研究应用，yin-1-qiang@163.com；

任晓丹（1986-），女，河南濮阳，硕士，工程师，主要从事电能变换、充电技术及监控技术领域的研究，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

项目来源：国家电网公司总部科技项目

2015-05-06修改日期：2015-06-23