¿Deberías utilizar los MOSFET de potencia en paralelo?

El diseñador de sistemas de energía intrépido debería conocerlo todo sobre los MOSFET y sus particulares peculiaridades eléctricas, pero trabajar con matrices de MOSFET puede ser otra bestia. Una disposición que puede verse en un sistema de conversión de potencia es colocar múltiples MOSFET de potencia en paralelo. Esto reparte la carga entre varios MOSFET con el objetivo de reducir la carga de los transistores individuales delsistema.

Por desgracia, los MOSFET (y los componentes no lineales en general) no se limitan a repartir la corriente entre ellos de la misma forma que, por ejemplo, un grupo de resistencias en paralelo. Al igual que en un MOSFET simple, el calor se convierte ahora en una consideración, ya que determina el comportamiento de umbral en los MOSFET (de nuevo, esto se aplica a cualquier circuito no lineal real). Para ver cómo interactúan estos componentes entre sí en esta disposición, tenemos que fijarnos en los parásitos que existen dentro de un chip MOSFET y entre los MOSFET de potencia en paralelo para poder evitar que los componentes se destruyan a sí mismos.

Trabajando con MOSFET 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 los MOSFET de potencia, los BJT, u otros grupos de componentes en tus esquemáticos. Para dispositivos de 3 terminales como los MOSFET, en los que la alimentación debe suministrarse en dos terminales, la configuración puede no ser tan intuitiva. El siguiente esquemático muestra un ejemplo de un convertidor de potencia en el que cuatro MOSFET están conectados en paralelo en el lado de salida del convertidor.

Observa que hay una pequeña resistencia conectada a la gate de cada MOSFET (explicaré por qué en un momento). También hay un único pulso de gate desde un controlador síncrono en el puerto VG_PWM, que se utiliza para conmutar cada MOSFET simultáneamente. En otras palabras, estos MOSFET no se activan en cascada; se activan de tal forma que todos se encienden y permiten el flujo de corriente en el mismo instante.

La ventaja de conectar los MOSFET de esta forma es que cada uno de ellos puede proporcionar una corriente menor a una carga. En otras palabras, la corriente total se divide por igual entre cada MOSFET, suponiendo que tengan la misma resistencia en estado ON. Esto permite que cada MOSFET de potencia proporcione una corriente elevada sin dejar de tener un alto margen de corriente, lo que reduce la cantidad de calor que generan.

Hay dos puntos que no se incluyen en el análisis típico de los MOSFET de potencia en paralelo: los parásitos en el MOSFET. Los parásitos ya crean efectos de limitación de ancho de banda, filtrado o resonancia en componentes reales. Sin embargo, cuando tenemos varios MOSFET de potencia en paralelo que se accionan con una señal PWM de alta frecuencia, sus parásitos pueden interactuar entre sí y aumentar la posibilidad de una oscilación no deseada durante la conmutación. Esto aparecería entonces como un fallo en la salida del sistema y puede provocar un calentamiento excesivo en el MOSFET afectado.

Simulación de MOSFET de Potencia en Paralelo

Si tienes varios MOSFET de potencia en paralelo y quieres simular cómo pueden surgir oscilaciones parásitas, puedes construir un circuito sencillo con un controlador de puerta para tus MOSFET concretos. Asegúrate de que has adjuntado el modelo de simulación apropiado a tu componente, donde el modelo incluye la capacitancia parásita entre los distintos pines del componente. A continuación, se muestra un circuito de ejemplo con una carga en el lado de la 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. A partir de aquí, simplemente necesitas realizar un análisis transitorio para examinar la corriente y la potencia entregadas a la carga por los MOSFET.

Ten en cuenta 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.
• Tensión de puerta: Dado que la respuesta de un MOSFET depende de la magnitud de la tensión de puerta, también lo hará cualquier oscilación parásita que surja cuando la señal PWM conmute el conjunto en paralelo.

Puedes detectar fácilmente los efectos de la inductancia parásita y la capacitancia parásita en una simulación transitoria. En el ejemplo siguiente se muestran los resultados del par de MOSFET anteriores cuando la inductancia y capacitancia parásitas se incluyen en el modelo de simulación. Observa las grandes interferencias que se ven claramente en la respuesta en el dominio temporal 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 distintos MOSFET del conjunto si hay 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 demás MOSFET para una tensión de puerta determinada, el componente puede autodestruirse. 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 tu 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 MOSFET de potencia en convertidores resonantes de medio puente LLC pueden tener una resistencia muy grande que conecte las fuentes y la puerta para proporcionar una alta amortiguación entre estos dos puertos. Puedes experimentar con estos valores de resistencia para examinar cómo afectan a la amortiguación en el circuito paralelo.

La simulación analógica es una parte central del diseño de circuitos, incluidos los MOSFET 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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