BSG系统MOSFET并联均流研究

潘　健， 李　平， 李新华， 张洪涛， 徐竟成

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)



BSG系统MOSFET并联均流研究

潘健， 李平， 李新华， 张洪涛， 徐竟成

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]针对BSG(Belt Driven Starter Generator)系统中MOSFET的并联均流问题展开研究。分析了影响MOSFET并联均流的因素，并通过Pspice软件对各参数进行了仿真分析。根据仿真结果搭建了试验电路，实验结果验证了仿真分析的正确性。最后给出了并联均流的措施，并应用到1.5 kW、12 VDC的BSG系统中。

[关键词]BSG系统；MOSFET；并联；均流；Pspice仿真；实验

弱混合动力 (Micro-hybrids)皮带启动发电机系统(Belt Driven Starter Generator System)近年得以快速发展[1]。它是一种能在怠速状态下关闭和启动汽车发动机的弱混技术，从而消除了汽车在起步时由发动机产生的油耗、尾气排放和噪音排放。其中BSG电机和驱动器是BSG系统的关键装置。

在新能源汽车的驱动器领域中，MOSFET以其导通电阻低、开关频率高、高频性能好等优点得到了广泛的应用[2]。但单个MOSFET的电流容量不大，针对1.5 kW、12 VDC BSG电机低电压、大电流的特点，作者采用并联2个MOSFET的方法来增大开关管的电流导通能力。当直接把2个MOSFET并联使用时，因其导通电阻Ron具有正的温度系数，可以自动平均电流，理论上不用采取任何均流措施[3]。但在高频动态工作条件下，由于开关频率很高，各并联MOSFET之间来不及建立温差，所以正温度系数的特点不能得到充分的发挥[4]。这会导致2个并联的MOSFET出现不均流的情况，严重时其中一个MOSFET会因为过流而在瞬间烧毁。因此并联使用MOSFET时，需要注意它的均流问题。

1影响并联均流的因素及仿真电路的搭建

MOSFET并联运行时，影响其均流特性的因素基本可分为三类。一类是MOSFET自身参数，包括导通电阻Ron、阀值电压Vth、输入电容Cin；第二类是驱动电路的参数，包括栅极驱动电阻Rg和栅极电感Lg；第三类是电路寄生参数，包括源极电感Ls和漏极电感Ld[5]。

理想情况下认为每个MOSFET的跨导曲线都是一致，这有利于它们的并联使用。但实际情况中,每个MOSFET的跨导曲线都不可能完全一致，若相差过大会不利于MOSEFT的并联使用。因此,在并联使用时应该选择同一型号，同一批次的MOSFET，以保证它们的内部参数尽量相同。

下面将重点讨论后两类因数对MOSFET并联均流的影响，并结合Pspice软件对各参数进行仿真，分析每个参数对并联均流的影响。

仿真电路见图1。M1、M2为2个并联MOSFET，选用的是IR公司的IRFP4468；Rg1、Rg2是2 Ω的驱动电阻；Lg1、Lg2是10 nH的栅极电感；Ld1、Ld2是10 nH的漏极电感；Ls1、Ls2是20 nH的源极电感；V1是幅值为15 V的直流电源；V2是栅极电压，占空比为50%，正负偏压为15 V和0 V，波形为方波，开关频率为10 kHz。

图 1　MOSFET并联仿真电路

2各影响参数的仿真分析

2.1理想条件下的并联仿真

由图2可知，各影响参数相等的情况下，2个MOSFET中流过的电流实现了均流，即 MOSFET的开关时间一致，导通后承受的电流相同。

图 2　理想条件下电流仿真波形

2.2驱动电路参数对MOSFET并联的影响

2.2.1栅极电感Lg对MOSFET并联的影响由图3a可以看到，当2个栅极电感相差不大时， MOSEFT的开关过程基本上是同步的,且平均承担电流；但在图3b中，当2个栅极电感相差比较大时，在开通时出现了不均流现象，电流IM1大于IM2,即栅极电感值小的MOSFET先开通。

(a)Lg1=10 nH,Lg2=30 nH 的仿真波形

(b)Lg1=10 nH,Lg2=100 nH 的仿真波形图 3　只改变Lg的电流仿真波形

2.2.2栅极电阻Rg对MOSFET并联的影响图4为其它参数相同，栅极电阻分别为Rg1=2 Ω，Rg2=5 Ω的电流仿真波形。

图 4　栅极电阻不同的电流仿真波形

由图4可知，栅极电阻较小的MOSFET，开通过程中承受较大的电流，但随着开通时间的增加，流过2个MOSFET上的电流趋于均衡。

同理，在驱动电压相同的情况下，驱动电阻越大，驱动电流就越小，MOSFET完全开通的时间越长，导致开通时MOSFET不均流。

通过上面的分析可知，若要保证均流，两个驱动电路的电阻和电感应该尽量保持一致。

2.3线路中寄生参数对MOSFET并联的影响

2.3.1源极电感Ls对MOSFET并联的影响由图5可知，当源极电感不同时，Ls较小的MOSFET在整个导通过程中都承担较大的电流。图5a中流过两管的最大电流差为17A，图5b中流过两管的最大电流差为42A。但随着MOSFET完全导通，流过2个MOSFET的电流逐渐趋于平衡。

(a)Ls1=20 nH,Ls2=30 nH 的仿真波形

(b)Ls1=20 nH,Ls2=50 nH 的仿真波形图5 Ls不同时的电流仿真波形

2.3.2漏极电感Ld对MOSFET并联的影响由图6可以看出，当漏极电感不同时，电感值较小的MOSFET在开通过程承担较大的电流，且两个电感值相差越大，流过2个MOSFET的电流差也越大。图6a中两管的最大电流之差为16 A，图6b中两管的最大电流之差为42 A。但随着两管完全导通，流过它们的电流也渐渐趋于相等。且随着2个漏极电感之和的增加，在关断瞬间产生的振荡幅值也随之变大。

(a)Ld1=10 nH,Ld2=20 nH 的仿真波形

(b)Ld1=10 nH,Ld2=40 nH 的仿真波形图 6　漏极电感不同时MOSFET并联的仿真波形

以上仿真中设定的开关频率为10 kHz，占空比为50%，即导通时间为50 μs。而Ls和Ld的值是10 nH，MOSFET的导通电阻为0.2 mΩ，由上面的公式可知时间常数为50 μs，与导通时间相同。所以图5，图6中会看到MOSFET中的电流出现逐渐相等的趋势。

通过上面分析可知，若要保证并联均流且消除关断振荡，使用时应该尽量让2个MOSFET的漏极连线和源极连线保持对称，同时应该尽量缩短两条漏极连线的长度，以便减小漏感值。

3实验测试结果分析

根据仿真结果搭建了试验电路。其中MOSFET使用的是IR公司的IRFP4468，导通电阻Ron=2 mΩ,最大电压VDSS=100 V，最大电流Id=195 A，2个MOSFET放在同一个散热器上，并紧密相连；采样电阻的阻值为30 mΩ；开关频率为10 kHz；直流电源为12 V。

3.1电路不对称实验

(a)不对称情况下电流波形

(b) 改善后电流波形图 7　电路不对称实验波形

由图7可知，在电路布线不对称的情况下，MOSFET的电流出现了不均流的情况。从图7a中可以看出当电路参数不对称时,2个MOSFET的开关性能相差比较大。一个管子先导通，另一个后导通，且在整个导通过程中2个MOSFET都未实现均流，同时管子关断时电流振荡很严重；图7b中，在布局时注意了漏极和源极连线的对称，且缩短了连线长度，但栅极连线没有做处理。从图中可以看出，虽然相对于图7a而言，电流的对称性得到了一定的改善，但由于栅极连线不对称，MOSFET开通时的电流依然不对称，这与仿真结果相吻合。

3.2电路对称布局实验

(a)对称布局情况下电流波形

(b)改善后电流波形图 8　电路布线对称情况的波形

当电路布线对称时，由图8a可以看出2个MOSFET的开关特性基本一致，且电流分配均匀，基本实现了并联均流,且均流效果比较理想。这与理想情况下的仿真波形基本相同，实验说明对称布局有利于MOSFET的均流。在图8b中有意增加了漏极连线的长度，从而使Ld增大。从图中可以看出，MOSFET的关断电流振荡很严重，这与前文对漏极电感的分析相吻合。

4结束语

由上面分析可知，当2个MOSFET并联使用

时需要注意以下三点：

1)选择相同批次，相同型号的MOSFET进行并联；

2)尽量保证电路连线的对称性，连线的长度和宽度应该保持一致，且应该尽量缩短连线的长度，增加连线的宽度，以便减小线路中电感的影响；

3)安装时把2个MOSFET放在同一个散热器上，并使其紧密相连，以增加它们之间的热耦合。

根据上述思路研制的BSG驱动器运行情况良好，2个MOSFET实现了并联均流。

[参考文献]

[1]李新华,李馨,黄启振.新型混合励磁BSG调压与转矩特性研究[J].汽车电器,2013(12):33-35.

[2]熊英英.车用低压大电流MOSFET模块驱动与保护研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[3]刘平.功率MOSFET并联应用及研究[J].现代电子技术，2010(10)：8-10.

[4]苏娟,王民华,冷朝霞.高频MOSFET并联运行及驱动特性研究[J].西安理工大学学报，2003，19(4)：352-355.

[5]余娟，李晓强，余向阳.功率MOSFET并联均流仿真分析[J].信息技术，2011(8)：25-28.

[6]葛小荣.功率MOSFET并联应用[J].电子技术应用，2010(5)：91-93.

[责任编校： 张岩芳]

On Paralleling of Power MOSFETs in BSG System

PAN Jian，LI ping ，LI Xinghua，ZHANG Hongtao，XU Jingcheng

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.，HubeiUniv．ofTech.，Wuhan430068，China)

Abstract：The study researched the current-sharing problem of parallel MOSFET in BSG (Belt Driven Starter). It first analyzed the factors that affect the current- sharing of MOSFET and used simulation for analyzing the influent parameters by Pspice. According to the results of the simulation, the test circuit was then set up. The experiment results indicate that the simulation analysis is effective. The method to achieve the balanced current was finally presented in the paper and used for the BSG system with 1.5 kW, 12VDC.

Keywords：BSG system; MOSFET; paralleling; balance current; Pspice simulation; experiment

[中图分类号]TM46

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0055-04

[作者简介]潘健(1962-)， 男， 上海人，湖北工业大学副教授，研究方向为电力电子

[基金项目]武汉市科技局“十城千辆新动力汽车计划”项目(2013011801010600)

[收稿日期]2015-01-16