Dovresti Usare i Power MOSFET in Parallelo?

Il progettista di sistemi di alimentazione intrepido dovrebbe conoscere tutto sui MOSFET e le loro particolari peculiarità elettriche, ma lavorare con array di MOSFET può essere un'altra bestia. Un arrangiamento che potresti vedere in un sistema di conversione di potenza è posizionare più MOSFET di potenza in parallelo. Questo distribuisce il carico tra più MOSFET con l'obiettivo di ridurre il peso sui singoli transistor nel tuo sistema.

Sfortunatamente, i MOSFET (e i componenti non lineari in generale) non dividono semplicemente la corrente tra di loro nello stesso modo in cui, ad esempio, un gruppo di resistori in parallelo. Proprio come in un singolo MOSFET, il calore diventa ora un fattore da considerare poiché determina il comportamento di soglia nei MOSFET (di nuovo, questo si applica a qualsiasi circuito non lineare reale). Per vedere come questi componenti interagiscono tra loro in questo arrangiamento, dobbiamo esaminare i parassiti che esistono all'interno di un chip MOSFET e tra i MOSFET di potenza in parallelo in modo che tu possa prevenire l'autodistruzione dei componenti.

Lavorare con MOSFET in Parallelo

Come qualsiasi altro componente, sia esso lineare o non lineare, multipli dello stesso componente o rete di circuiti possono essere connessi in parallelo. Questo vale anche per i MOSFET, BJT o altri gruppi di componenti nei tuoi schemi. Per dispositivi a 3 terminali come i MOSFET, dove l'alimentazione deve essere fornita a due terminali, la configurazione coinvolta potrebbe non essere così intuitiva. Lo schema sottostante mostra un esempio da un convertitore di potenza dove quattro MOSFET sono collegati in parallelo sul lato di uscita del convertitore.

Si noti che c'è una piccola resistenza collegata al gate su ogni MOSFET (spiegherò il motivo tra un momento). C'è anche un unico impulso di gate da un driver sincrono al porto VG_PWM, che viene utilizzato per commutare ogni MOSFET simultaneamente. In altre parole, questi MOSFET non sono pilotati in modo cascata; sono pilotati in modo tale che tutti si attivino e permettano il passaggio della corrente nello stesso istante.

I vantaggi del collegamento dei MOSFET in questo modo è che ciascuno di essi può essere utilizzato per fornire una corrente inferiore a un carico. In altre parole, la corrente totale è divisa equamente tra ogni MOSFET, assumendo che abbiano la stessa resistenza in stato ON. Questo permette a ciascun MOSFET di potenza di fornire alta corrente pur avendo un ampio margine di corrente, il che riduce la quantità di calore che generano.

Due punti non sono inclusi nell'analisi tipica dei MOSFET di potenza in parallelo: i parassiti nel MOSFET. I parassiti già creano effetti di limitazione della banda passante, filtraggio o risonanza nei componenti reali. Tuttavia, quando abbiamo più MOSFET di potenza in parallelo che vengono pilotati con un segnale PWM ad alta frequenza PWM signal, i loro parassiti possono interagire tra loro e aumentare la possibilità di un'oscillazione indesiderata durante la commutazione. Questo potrebbe poi apparire come un glitch sull'uscita del sistema e può portare a un eccessivo riscaldamento nel MOSFET vittima.

Simulazione dei MOSFET di Potenza in Parallelo

Quando si hanno più MOSFET di potenza in parallelo e si desidera simulare come potrebbero sorgere oscillazioni parassite, è possibile costruire un circuito semplice con un driver di gate per i propri MOSFET specifici. Assicurarsi di aver collegato il modello di simulazione appropriato al proprio componente, dove il modello include la capacità parassita tra i vari pin nel componente. Di seguito è mostrato un esempio di circuito con un carico sul lato del source.

Ho utilizzato una sorgente VPULSE dalla libreria Simulation Sources.IntLib per modellare un driver PWM. Il diodo D1 è un diodo 1N914 disposto in un circuito di pilotaggio del gate per un transistor NMOS. Da qui, è semplicemente necessario eseguire un'analisi transitoria per esaminare la corrente e la potenza fornite al carico dai MOSFET.

Nota che ci sono alcune quantità che sono di interesse in questa simulazione:

• Tempo di salita PWM: questo determina la larghezza di banda del segnale PWM e dovrebbe essere adeguato alle specifiche del tuo MOSFET
• Frequenza PWM: un segnale PWM con frequenza più alta incontrerà una minore impedenza dalla capacità parassita, che inietta più potenza nel ciclo di feedback parassita, potenzialmente portando il sistema in risonanza.
• Tensione di gate: Poiché la risposta di un MOSFET dipende dall'ampiezza della tensione di gate, lo farà anche qualsiasi oscillazione parassita che sorge quando il segnale PWM commuta l'array parallelo.

È possibile individuare facilmente gli effetti dell'induttanza parassita e della capacità parassita in una simulazione transitoria. L'esempio sottostante mostra i risultati per la coppia di MOSFET sopra quando la capacità parassita e l'induttanza sono incluse nel modello di simulazione. Notare i grandi glitch che sono chiaramente visibili nella risposta nel dominio del tempo quando il segnale PWM commuta.

Smorzamento delle Oscillazioni Indesiderate e dell'Aumento di Temperatura

Come è stato menzionato in precedenza, queste oscillazioni indesiderate possono sorgere in diversi MOSFET dell'array se c'è uno squilibrio di temperatura. In altre parole, la condizione per la risonanza in un MOSFET può essere diversa rispetto a un altro MOSFET. Se un MOSFET sperimenta forti oscillazioni prima degli altri MOSFET per una data tensione di gate, allora il componente può distruggersi. Pertanto, è meglio mantenere questi componenti alla stessa temperatura se sono collegati in serie. Questo può essere fatto con un grande dissipatore di calore o uno strato piano sotto i componenti nel layout del tuo PCB.

Un altro modo per modificare le condizioni di risonanza consiste nel posizionare una resistenza di gate nel circuito di pilotaggio (vedi sopra, dove è inclusa una piccola resistenza da 5 Ohm). I MOSFET in convertitori risonanti half-bridge LLC possono avere una resistenza molto grande che collega i source e il gate per fornire un elevato smorzamento tra queste due porte. Puoi sperimentare con questi valori di resistenza per esaminare come influenzano lo smorzamento nel circuito parallelo.

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