Devriez-vous utiliser des MOSFET de puissance en parallèle ?

Le concepteur de systèmes d'alimentation intrépides devrait tout savoir sur les MOSFETs et leurs particularités électriques spécifiques, mais travailler avec des réseaux de MOSFETs peut être une autre bête. Un arrangement que vous pourriez voir dans un système de conversion de puissance consiste à placer plusieurs MOSFETs de puissance en parallèle. Cela partage la charge parmi plusieurs MOSFETs dans le but de réduire le fardeau sur les transistors individuels de votre système.

Malheureusement, les MOSFETs (et les composants non linéaires en général) ne se partagent pas simplement le courant entre eux de la même manière que, disons, un groupe de résistances en parallèle. Tout comme dans un seul MOSFET, la chaleur devient maintenant une considération car elle détermine le comportement de seuillage dans les MOSFETs (encore une fois, cela s'applique à tout circuit non linéaire réel). Pour voir comment ces composants interagissent entre eux dans cet arrangement, nous devons examiner les parasitiques qui existent à l'intérieur d'une puce MOSFET et entre les MOSFETs de puissance en parallèle afin que vous puissiez empêcher les composants de se détruire eux-mêmes.

Travailler avec des MOSFETs en Parallèle

Comme tout autre composant, qu'il soit linéaire ou non linéaire, des multiples du même composant ou réseau de circuits peuvent être connectés en parallèle. Cela est également vrai pour les MOSFETs, BJTs, ou d'autres groupes de composants dans vos schémas. Pour les dispositifs à 3 bornes comme les MOSFETs, où l'alimentation doit être fournie à deux bornes, la configuration impliquée peut ne pas être si intuitive. Le schéma ci-dessous montre un exemple issu d'un convertisseur de puissance où quatre MOSFETs sont connectés en parallèle sur le côté de sortie du convertisseur.

Notez qu'il y a une petite résistance connectée à la grille sur chaque MOSFET (je vais expliquer pourquoi dans un instant). Il y a aussi une seule impulsion de grille provenant d'un pilote synchrone au port VG_PWM, qui est utilisée pour commuter chaque MOSFET simultanément. En d'autres termes, ces MOSFET ne sont pas pilotés de manière en cascade ; ils sont pilotés de telle manière qu'ils s'activent tous et permettent au courant de circuler au même instant.

Les avantages de connecter les MOSFET de cette manière est qu'ils peuvent chacun fournir un courant plus faible à une charge. En d'autres termes, le courant total est réparti également entre chaque MOSFET, en supposant qu'ils aient la même résistance à l'état passant. Cela permet à chaque MOSFET de puissance de fournir un courant élevé tout en ayant une marge de courant élevée, ce qui réduit ensuite la quantité de chaleur qu'ils génèrent.

Deux points ne sont pas inclus dans l'analyse typique des MOSFET de puissance en parallèle : les parasitiques dans le MOSFET. Les parasitiques créent déjà des effets de limitation de bande passante, de filtrage ou de résonance dans les composants réels. Cependant, lorsque nous avons plusieurs MOSFET de puissance en parallèle pilotés par un signal PWM de haute fréquence , leurs parasitiques peuvent interagir entre eux et augmenter la possibilité d'une oscillation indésirable pendant la commutation. Cela pourrait alors apparaître comme un glitch sur la sortie du système et peut conduire à un échauffement excessif dans le MOSFET victime.

Simuler des MOSFET de puissance en parallèle

Lorsque vous avez plusieurs MOSFETs de puissance en parallèle, et que vous souhaitez simuler comment des oscillations parasites pourraient apparaître, vous pouvez construire un circuit simple avec un pilote de grille pour vos MOSFETs particuliers. Assurez-vous d'avoir attaché le modèle de simulation approprié à votre composant, où le modèle inclut une capacité parasite entre les différentes broches du composant. Un exemple de circuit avec une charge du côté source est montré ci-dessous.

J'ai utilisé une source VPULSE de la bibliothèque Simulation Sources.IntLib pour modéliser un pilote PWM. La diode D1 est une diode 1N914 disposée dans un circuit de pilote de grille pour un transistor NMOS. À partir de là, vous devez simplement effectuer une analyse transitoire pour examiner le courant et la puissance délivrés à la charge par les MOSFETs.

Notez qu'il y a quelques quantités qui sont d'intérêt dans cette simulation :

• Temps de montée PWM : cela détermine la bande passante du signal PWM et doit correspondre aux spécifications de votre MOSFET
• Fréquence PWM : un signal PWM de fréquence plus élevée rencontrera une impédance plus faible de la part de la capacité parasite, ce qui injecte plus de puissance dans la boucle de rétroaction parasite, pouvant entraîner le système en résonance.
• Tension de grille : Étant donné que la réponse d'un MOSFET dépend de l'ampleur de la tension de grille, toute oscillation parasite qui survient lorsque le signal PWM commute le réseau parallèle en dépendra également.

TRANSLATE:

Vous pouvez facilement repérer les effets de l'inductance parasite et de la capacitance parasite dans une simulation transitoire. L'exemple ci-dessous montre les résultats pour la paire de MOSFETs ci-dessus lorsque la capacitance parasite et l'inductance sont incluses dans le modèle de simulation. Notez les grands dysfonctionnements qui sont clairement visibles dans la réponse en temps réel alors que le signal PWM bascule.

Amortissement des oscillations indésirables et de l'augmentation de température

Comme mentionné précédemment, ces oscillations indésirables peuvent survenir dans différents MOSFETs du réseau s'il existe un déséquilibre de température. En d'autres termes, la condition de résonance dans un MOSFET peut être différente de celle dans un autre MOSFET. Si un MOSFET subit de fortes oscillations avant les autres MOSFETs pour une tension de grille donnée, alors le composant peut se détruire lui-même. Par conséquent, il est préférable de maintenir ces composants à la même température s'ils sont connectés en série. Cela peut être réalisé avec un grand dissipateur thermique ou une couche plane sous les composants dans votre agencement de PCB.

L'autre manière de modifier les conditions de résonance consiste à placer une résistance de grille dans le circuit d'attaque (voir ci-dessus, où une petite résistance de 5 Ohms est incluse). Les MOSFETs dans les convertisseurs résonnants demi-pont LLC peuvent avoir une très grande résistance reliant les sources et la grille pour fournir un amortissement élevé entre ces deux ports. Vous pouvez expérimenter avec ces valeurs de résistance pour examiner comment elles affectent l'amortissement dans le circuit parallèle.

La simulation analogique est une partie centrale de la conception de circuits, y compris pour les MOSFET de puissance en parallèle. Les outils de conception de circuits et de mise en page de PCB dans Altium Designer® vous offrent un ensemble complet de fonctionnalités pour vous aider à créer vos circuits, simuler le comportement des signaux et créer votre mise en page de PCB. Une fois que vous avez qualifié votre conception schématique, vous pouvez partager vos données de conception sur la plateforme Altium 365®, vous offrant ainsi un moyen facile de travailler avec votre équipe de conception et de gérer vos données de conception.

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