パワーMOSFETを並列に使用すべきですか？

大胆不敵な電源システムの設計者は、MOSFETとその特有の電気的特性について知っておくべきですが、MOSFETの配列を扱うことは別の問題です。電力変換システムで見かけるかもしれない配置の一つに、複数のパワーMOSFETを並列に配置する方法があります。これは、システム内の個々のトランジスタへの負担を軽減することを目的として、複数のMOSFET間で負荷を共有します。

残念ながら、MOSFET（および非線形コンポーネント全般）は、例えば並列に接続された一群の抵抗器のように、単純に電流を分割するわけではありません。単一のMOSFETの場合と同様に、熱は考慮事項となり、MOSFETのしきい値動作を決定します（再び、これは任意の実際の非線形回路に適用されます）。これらのコンポーネントがこの配置で互いにどのように相互作用するかを見るためには、MOSFETチップ内および並列に接続されたパワーMOSFET間に存在する寄生要素を見る必要があります。これにより、コンポーネントが自身を破壊するのを防ぐことができます。

並列MOSFETの取り扱い

他のコンポーネントと同様に、線形であれ非線形であれ、同じコンポーネントや回路ネットワークの複数を並列に接続することができます。これは、MOSFET、BJT、または回路図内の他のコンポーネント群にも当てはまります。2つの端子に電力を供給する必要がある3端子デバイスの場合、例えばMOSFETのように、その構成は直感的ではないかもしれません。以下の回路図は、電源コンバータからの例で、4つのMOSFETがコンバータの出力側に並列に接続されている様子を示しています。

各MOSFETのゲートには小さな抵抗が接続されていることに注意してください（その理由についてはすぐに説明します）。また、VG_PWMポートからの単一のゲートパルスがあり、これを使用して各MOSFETを同時に切り替えます。言い換えると、これらのMOSFETはカスケード方式で駆動されるのではなく、すべてが同時にオンになり、電流が流れるように駆動されます。

このようにMOSFETを接続する利点は、それぞれが負荷に対して低い電流を提供できることです。言い換えれば、全体の電流は、ON状態の抵抗が同じであると仮定して、各MOSFET間で均等に分割されます。これにより、各パワーMOSFETは高電流を提供しながらも、高い電流マージンを持つことができ、それによって発生する熱の量が減少します。

通常のパワーMOSFETの並列分析には含まれない2点があります：MOSFET内の寄生成分です。寄生成分は、実際のコンポーネントで帯域制限、フィルタリング、または共振効果を既に引き起こしています。しかし、高周波のPWM信号で駆動される複数のパワーMOSFETを並列に使用する場合、それらの寄生成分が互いに干渉し、スイッチング中に望ましくない振動が増加する可能性があります。これはシステム出力にグリッチとして現れ、被害を受けたMOSFETの過剰な加熱につながる可能性があります。

パワーMOSFETの並列シミュレーション

複数のパワーMOSFETを並列に配置し、寄生振動が発生する可能性をシミュレートしたい場合、特定のMOSFET用のゲートドライバーを備えた簡単な回路を構築できます。コンポーネントに適切なシミュレーションモデルが添付されていることを確認してください。このモデルには、コンポーネント内のさまざまなピン間の漂遊容量が含まれています。ソース側に負荷がある例示回路を以下に示します。

PWMドライバをモデル化するために、Simulation Sources.IntLibライブラリからVPULSEソースを使用しました。ダイオードD1は1N914ダイオードで、NMOSトランジスタのゲートドライバ回路に配置されています。ここから、MOSFETによって負荷に供給される電流と電力を調べるために、単に過渡解析を実行する必要があります。

このシミュレーションにおいて興味深いいくつかの量があります：

• PWM立ち上がり時間：これはPWM信号の帯域幅を決定し、使用するMOSFETの仕様に合わせる必要があります
• PWM周波数：高周波数のPWM信号は、寄生容量からのインピーダンスが低くなり、寄生フィードバックループにより多くの電力が注入され、システムが共振状態に駆動される可能性があります。
• ゲート電圧：MOSFETの応答はゲート電圧の大きさに依存するため、PWM信号が並列配列を切り替える際に生じる寄生振動も同様に依存します。

寄生インダクタンスと寄生容量の効果は、過渡シミュレーションで容易に確認できます。以下の例は、寄生容量とインダクタンスがシミュレーションモデルに含まれている場合の、上記のMOSFETペアの結果を示しています。PWM信号が切り替わるときに、時間領域応答で明確に見られる大きなグリッチに注目してください。

望ましくない振動と温度上昇の抑制

前述の通り、これらの望ましくない振動は、温度の不均衡がある場合に、配列内の異なるMOSFETで発生する可能性があります。言い換えれば、あるMOSFETでの共振条件が、別のMOSFETとは異なる可能性があります。あるMOSFETが与えられたゲート電圧に対して他のMOSFETよりも強い振動を経験する場合、その部品は自己破壊する可能性があります。したがって、これらの部品が直列に接続されている場合は、同じ温度に保つことが最善です。これは、大型のヒートシンクや、PCBレイアウト内の部品の下にあるプレーン層で実現できます。

共振条件を変更するもう一つの方法は、駆動回路にゲート抵抗器を配置することです（上記参照、小さな5オームの抵抗器が含まれています）。ハーフブリッジLLC共振コンバータのMOSFETは、これら2つのポート間の高い減衰を提供するために、ソースとゲートを接続する非常に大きな抵抗器を持っている場合があります。これらの抵抗値を実験して、並列回路の減衰にどのように影響するかを調べることができます。

アナログシミュレーションは、パラレルでのパワーMOSFETを含む回路設計の中心的な部分です。Altium Designer®の回路設計およびPCBレイアウトツールは、回路を作成し、信号の挙動をシミュレートし、PCBレイアウトを作成するのに役立つ完全な機能セットを提供します。回路図設計を確定したら、Altium 365®プラットフォームで設計データを共有でき、設計チームと簡単に作業を進め、設計データを管理することができます。

Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。より詳細な機能説明については、製品ページをチェックするか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。