¿Debería usar MOSFETs de potencia en paralelo?

El diseñador de sistemas de energía intrépido debe conocer todo sobre los MOSFETs y sus particulares peculiaridades eléctricas, pero trabajar con arreglos de MOSFETs puede ser otra bestia. Una disposición que podrías ver en un sistema de conversión de energía es colocar múltiples MOSFETs de potencia en paralelo. Esto comparte la carga entre varios MOSFETs con el objetivo de reducir la carga sobre los transistores individuales en tu sistema.

Lamentablemente, los MOSFETs (y los componentes no lineales en general) no dividen la corriente entre sí de la misma manera que, por ejemplo, un grupo de resistencias en paralelo. Al igual que en un único MOSFET, el calor ahora se convierte en una consideración ya que determina el comportamiento de umbralización en los MOSFETs (de nuevo, esto se aplica a cualquier circuito no lineal real). Para ver cómo estos componentes interactúan entre sí en esta disposición, necesitamos observar los parásitos que existen dentro de un chip MOSFET y entre MOSFETs de potencia en paralelo para que puedas prevenir que los componentes se destruyan a sí mismos.

Trabajando con MOSFETs en Paralelo

Como cualquier otro componente, ya sea lineal o no lineal, múltiplos del mismo componente o red de circuitos pueden conectarse en paralelo. Esto también es cierto para MOSFETs, BJTs, u otros grupos de componentes en tus esquemáticos. Para dispositivos de 3 terminales como los MOSFETs, donde la energía debe suministrarse en dos terminales, la configuración involucrada puede no ser tan intuitiva. El esquemático a continuación muestra un ejemplo de un convertidor de energía donde cuatro MOSFETs están conectados en paralelo en el lado de salida del convertidor.

Tenga en cuenta que hay una pequeña resistencia conectada al gate en cada MOSFET (explicaré por qué en un momento). También hay un único pulso de gate de un controlador sincrónico en el puerto VG_PWM, que se utiliza para conmutar cada MOSFET simultáneamente. En otras palabras, estos MOSFETs no se activan de manera cascada; se activan de tal manera que todos se encienden y permiten que la corriente fluya al mismo instante.

Las ventajas de conectar los MOSFETs de esta manera es que cada uno puede usarse para proporcionar menor corriente a una carga. En otras palabras, la corriente total se divide uniformemente entre cada MOSFET, asumiendo que tienen la misma resistencia en estado ON. Esto permite que cada MOSFET de potencia proporcione alta corriente mientras aún tiene un alto margen de corriente, lo que luego reduce la cantidad de calor que generan.

Dos puntos no están incluidos en el análisis típico de los MOSFETs de potencia en paralelo: los parásitos en el MOSFET. Los parásitos ya crean limitación de ancho de banda, filtrado o efectos de resonancia en componentes reales. Sin embargo, cuando tenemos múltiples MOSFETs de potencia en paralelo siendo impulsados con una señal PWM de alta frecuencia PWM signal, sus parásitos pueden interactuar entre sí e incrementar la posibilidad de una oscilación no deseada durante el conmutado. Esto entonces aparecería como un fallo en la salida del sistema y puede llevar a un calentamiento excesivo en el MOSFET afectado.

Simulando MOSFETs de Potencia en Paralelo

Cuando tienes múltiples MOSFETs de potencia en paralelo, y quieres simular cómo podrían surgir oscilaciones parásitas, puedes construir un circuito simple con un controlador de puerta para tus MOSFETs particulares. Asegúrate de haber adjuntado el modelo de simulación apropiado a tu componente, donde el modelo incluye capacitancia parásita entre los distintos pines del componente. A continuación, se muestra un ejemplo de circuito con una carga en el lado del fuente.

He utilizado una fuente VPULSE de la biblioteca Simulation Sources.IntLib para modelar un controlador PWM. El diodo D1 es un diodo 1N914 dispuesto en un circuito de control de puerta para un transistor NMOS. Desde aquí, simplemente necesitas realizar un análisis transitorio para examinar la corriente y la potencia entregadas a la carga por los MOSFETs.

Nota que hay algunas cantidades que son de interés en esta simulación:

• Tiempo de subida del PWM: esto determina el ancho de banda de la señal PWM y debe coincidir con las especificaciones de tu MOSFET
• Frecuencia del PWM: una señal PWM con mayor frecuencia verá una impedancia más baja de la capacitancia parásita, lo que inyecta más potencia en el bucle de retroalimentación parásito, posiblemente llevando el sistema a la resonancia.
• Voltaje de puerta: Dado que la respuesta de un MOSFET depende de la magnitud del voltaje de puerta, también lo hará cualquier oscilación parásita que surja cuando la señal PWM conmuta el arreglo en paralelo.

Puedes detectar fácilmente los efectos de la inductancia parásita y la capacitancia parásita en una simulación transitoria. El ejemplo a continuación muestra los resultados para el par de MOSFETs anterior cuando la capacitancia parásita y la inductancia se incluyen en el modelo de simulación. Observa las grandes interferencias que se ven claramente en la respuesta en el dominio del tiempo cuando la señal PWM cambia.

Amortiguación de Oscilaciones No Deseadas y Aumento de Temperatura

Como se mencionó anteriormente, estas oscilaciones no deseadas pueden surgir en diferentes MOSFETs del arreglo si existe un desequilibrio de temperatura. En otras palabras, la condición para la resonancia en un MOSFET puede ser diferente que en otro MOSFET. Si un MOSFET experimenta fuertes oscilaciones antes que los otros MOSFETs para un voltaje de puerta dado, entonces el componente puede destruirse a sí mismo. Por lo tanto, es mejor mantener estos componentes a la misma temperatura si están conectados en serie. Esto se puede hacer con un gran disipador de calor o una capa plana debajo de los componentes en el diseño de su PCB.

Otra forma de modificar las condiciones para la resonancia es colocar una resistencia de puerta en el circuito de conducción (ver arriba, donde se incluye una pequeña resistencia de 5 Ohmios). Los MOSFETs en convertidores resonantes de medio puente LLC pueden tener una resistencia muy grande conectando las fuentes y la puerta para proporcionar un alto amortiguamiento entre estos dos puertos. Puedes experimentar con estos valores de resistencia para examinar cómo afectan al amortiguamiento en el circuito paralelo.

La simulación analógica es una parte central del diseño de circuitos, incluidos los MOSFETs de potencia en paralelo. Las herramientas de diseño de circuitos y diseño de PCB en Altium Designer® te ofrecen un conjunto completo de características para ayudarte a crear tus circuitos, simular el comportamiento de la señal y crear tu diseño de PCB. Una vez que hayas calificado tu diseño esquemático, puedes compartir tus datos de diseño en la plataforma Altium 365®, brindándote una manera fácil de trabajar con tu equipo de diseño y gestionar tus datos de diseño.

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