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串联使用功率 MOSFET
串联使用功率 MOSFET
功率 MOSFET 支持大量电子系统，特别是在 BJT 无用或无效的情况下。MOSFET 可用于并联排列的大电流系统，但串联使用又如何呢？您通常不会在较小的开关转换器中看到任何一种布置，因为有许多现成的 MOSFET 可以提供所需的电流而不会出现故障。然而，一旦您开始考虑使用小尺寸开关系统提供高电压/高电流，您就需要考虑 MOSFET 的这些布置。
MOSFET 的两种排列都有设计人员应考虑的缺陷。让我们看看串联的 MOSFET，因为它们在某些系统中非常有用，但在设计电路和 PCB 时要小心，以确保可靠性。
串联使用功率 MOSFET
一系列串联的 MOSFET 将使其源极和漏极相互连接。这种布置随后可用于驱动串联的低阻抗负载或并联的高阻抗负载。以下电路图显示了最简单的 MOSFET 串联排列：
与负载组件串联的 MOSFET 的最简单电路。
在该电路中，VDD 根据基尔霍夫电压定律分布在两个 MOSFET 上。两者都必须在同一时刻开启，以便电流流过负载。这基本上像与门一样运行，但可能在非常高的电压或电流下运行。
另一种可能的安排是在推挽安排中使用串联 MOSFET，就像 CMOS 缓冲器一样：
MOSFET 与推挽式负载串联。
在这种类型的电路中，只要顶部 MOSFET (M1) 导通，下部 MOSFET (M2) 就可以通过导通或关断来转移负载的电流。这对于高阻抗负载来说是理想的，其中 M2 只是在负载不需要电流时转移电流。
您可以制定许多其他串联 MOSFET 示例。这些串联 MOSFET 阵列的一些应用包括：
电流馈电逆变器
高压频闪仪
高压谐振槽路驱动器
用于 Vg MOSFET 的推挽驱动器电路
高压专用逻辑缓冲器和放大器
多相开关驱动器
您会注意到，这些应用包含“高电压”一词是有充分理由的，这与我们开始使用串联元件的根本原因有关。要了解原因，将这些电路与并联的 MOSFET 进行比较会有所帮助。
串联与并联 MOSFET
在之前的一篇文章中，我提出了一些关于并联放置和使用 MOSFET 的要点，以及可能导致这些电路的一些电气行为。MOSFET 并联放置的主要原因是在所有 MOSFET 同时导通时获得更大的电流。由于这些晶体管并联放置，因此它们的输出电流根据基尔霍夫电流定律相加。这并不完全正确，因为您需要添加一些小电阻来抑制任何寄生振荡，尤其是在高功率系统中。然而，并联电路的类比效果很好并且有效地描述了当整个阵列同时开启时会发生什么。
实际上，该阵列就像一个具有更大额定电流但额定电压相同的单个晶体管。这种布置是驱动大电流电机、为大电流开关稳压器或任何其他需要开关元件提供大量电流的系统提供电流的标准方式。由于一些重要原因，总电压额定值的相同想法实际上并不适用于串联 MOSFET。
串联 MOSFET 不能总是处理更高的电压
在串联布置中，该组 MOSFET 将像单个大型 MOSFET 一样具有更高的额定电压但额定电流相同。这在实践中并不总是奏效。
要了解原因，请考虑上述电路之一中 VDD = 100 V 的情况。我们可以想象使用最大额定电压为 50 V 的相同 MOSFET；通过将它们串联，它们每个只会经历 50 V，而不是完整的 100 V。 现在考虑如果 M2 打开而 M1 关闭时会发生什么：M1 具有高 R_off 电阻，因此它占用整个 100 V 并且超过它的 50 V 额定值，随后它失败了。
串联排列的 MOSFET。
这应该说明了上面第一张图中驱动电路的重要性：一切都需要在正确的时刻开启。如果您串联使用 MOSFET 来驱动电感负载或谐振回路负载，强烈建议同时放置电容器和一些 ESD 保护（例如，反激二极管）以防止大电压尖峰损坏您的 MOSFET。
并联、串联还是两者兼而有之？
关于何时使用并联或串联排列的 MOSFET 没有硬性规定。在具有高功率传输要求和需要快速开关（例如使用 PWM）的系统中，并联布置是标准配置。电机驱动器电路就是完美的例子。同时，高压输送需要串联阵列，而不一定是大电流。如果您考虑一下，您当然可以使用组合（多个串联阵列，全部并联放置），尽管因此您的驱动电路会变得非常复杂。
显示串联和并联 MOSFET 组合的示例电路图如下所示。我在这个图中留下了一个用于负载和驱动电路的块，后者可能非常复杂。这样的驱动系统需要一些逻辑和可能的快速反馈回路才能正常运行并确保在驱动阵列时每个串联支路都完全开启。
具有单个负载组件的串并联布置示例。
使用串联和并联 MOSFET 启用的另一个选项是多相开关。当每个并联 MOSFET 都以相同的 PWM 频率驱动，但它们在相位上是分开的时，阵列表现为以更高的频率驱动。这是在开关转换器中实现极低噪声操作的一种技巧。虽然您不能使用串联的独立 MOSFET 阵列来做到这一点，但您可以将串联支路并联起来以创建如上所示的分相驱动器。
这是一个非常有效的技巧，可以降低电源系统中的噪声，同时仍以高频运行，例如在需要更高频率运行的 RF 电源中。我计划在即将发布的文章中介绍多相电源转换器，因为这些转换器对于为低噪声、高频模拟系统（例如RF 功率放大器）供电至关重要。这是一个很少讨论的电源转换领域，它需要更复杂的驱动电路，但在许多系统中它是一种有效的技术和标准拓扑。