병렬로 파워 MOSFET을 사용해야 할까요?

대담한 전력 시스템 설계자는 MOSFET과 그 특유의 전기적 특성에 대해 모두 알아야 하지만, MOSFET 배열을 다루는 것은 또 다른 문제일 수 있습니다. 전력 변환 시스템에서 볼 수 있는 한 가지 배치는 여러 개의 전력 MOSFET을 병렬로 배치하는 것입니다. 이는 시스템 내 개별 트랜지스터에 대한 부담을 줄이는 목표로 여러 MOSFET 사이에 부하를 공유합니다.

불행히도, MOSFETs(그리고 일반적으로 비선형 구성 요소들)는 병렬로 연결된 저항 그룹처럼 간단히 전류를 서로 나누지 않습니다. 단일 MOSFET에서와 마찬가지로, 이제 열이 고려 사항이 되며, 이는 MOSFETs의 임계 동작을 결정합니다(다시 말하지만, 이는 모든 실제 비선형 회로에 적용됩니다). 이러한 구성 요소들이 이러한 배열에서 서로 어떻게 상호 작용하는지 보려면, MOSFET 칩 내부와 병렬로 연결된 전력 MOSFETs 사이에 존재하는 기생적인 요소들을 살펴봐야 하므로, 구성 요소들이 스스로를 파괴하는 것을 방지할 수 있습니다.

병렬 MOSFETs 작업하기

다른 구성 요소와 마찬가지로, 선형이든 비선형이든, 동일한 구성 요소나 회로 네트워크의 복수 개를 병렬로 연결할 수 있습니다. 이는 MOSFETs, BJTs 또는 회로도의 다른 구성 요소 그룹에도 해당됩니다. MOSFETs와 같은 3단자 장치의 경우, 두 단자에 전력을 공급해야 하므로 구성이 직관적이지 않을 수 있습니다. 아래 회로도는 컨버터의 출력 측에 네 개의 MOSFETs가 병렬로 연결된 전력 변환기의 예를 보여줍니다.

각 MOSFET의 게이트에 연결된 작은 저항이 있다는 것을 주목하세요(잠시 후 이유를 설명하겠습니다). 또한 VG_PWM 포트에서 동기 드라이버의 단일 게이트 펄스가 있어, 각 MOSFET을 동시에 스위칭하는 데 사용됩니다. 즉, 이 MOSFET들은 연쇄적으로 구동되는 것이 아니라, 모두 동시에 스위치되어 전류가 흐를 수 있도록 구동됩니다.

이러한 방식으로 MOSFET을 연결하는 장점은 각각이 부하에 낮은 전류를 제공할 수 있다는 것입니다. 다시 말해, 총 전류는 동일한 ON 상태 저항을 가진 각 MOSFET 사이에 고르게 분배됩니다. 이를 통해 각 파워 MOSFET은 여전히 높은 전류 마진을 가지면서 높은 전류를 제공할 수 있으며, 이는 그들이 발생시키는 열의 양을 줄입니다.

전형적인 전력 MOSFET 병렬 분석에서 누락된 두 가지 요소가 있습니다: MOSFET 내의 기생성분입니다. 기생성분은 이미 실제 구성요소에서 대역폭 제한, 필터링 또는 공진 효과를 만들어냅니다. 그러나 고주파 PWM 신호로 여러 전력 MOSFET을 병렬로 구동할 때, 그들의 기생성분이 서로 상호작용하여 스위칭 중 원치 않는 진동의 가능성을 증가시킬 수 있습니다. 이는 시스템 출력에 글리치로 나타나고 피해를 입은 MOSFET에서 과도한 발열로 이어질 수 있습니다.

전력 MOSFET 병렬 시뮬레이션

여러 개의 전력 MOSFET을 병렬로 연결하고, 기생 진동이 어떻게 발생할 수 있는지 시뮬레이션하고 싶을 때, 특정 MOSFET에 대한 게이트 드라이버가 있는 간단한 회로를 구성할 수 있습니다. 구성 요소에 적절한 시뮬레이션 모델이 첨부되어 있는지 확인하십시오. 이 모델에는 구성 요소의 다양한 핀 사이에 있는 잔류 용량이 포함되어 있습니다. 소스 측에 부하가 있는 예제 회로는 아래에 나와 있습니다.

PWM 드라이버를 모델링하기 위해 Simulation Sources.IntLib 라이브러리에서 VPULSE 소스를 사용했습니다. 다이오드 D1은 NMOS 트랜지스터를 위한 게이트 드라이버 회로에 배치된 1N914 다이오드입니다. 여기서 단지 MOSFET이 부하에 전달하는 전류와 전력을 검토하기 위해 과도 분석을 수행하면 됩니다.

이 시뮬레이션에서 관심을 가질 수 있는 몇 가지 양이 있습니다:

• PWM 상승 시간: 이것은 PWM 신호의 대역폭을 결정하며 사용하는 MOSFET의 사양과 일치해야 합니다.
• PWM 주파수: 더 높은 주파수의 PWM 신호는 기생 커패시턴스로부터 더 낮은 임피던스를 볼 것이며, 이는 기생 피드백 루프에 더 많은 전력을 주입하여 시스템이 공진 상태로 들어갈 가능성이 있습니다.
• 게이트 전압: MOSFET의 반응은 게이트 전압의 크기에 따라 달라지므로, PWM 신호가 병렬 배열을 전환할 때 발생하는 기생 진동도 마찬가지로 영향을 받습니다.

전이 시뮬레이션에서 기생 인덕턴스와 기생 커패시턴스의 영향을 쉽게 확인할 수 있습니다. 아래 예시는 기생 커패시턴스와 인덕턴스가 시뮬레이션 모델에 포함될 때 위의 MOSFET 쌍의 결과를 보여줍니다. PWM 신호가 전환될 때 시간 영역 응답에서 분명하게 볼 수 있는 큰 글리치에 주목하세요.

원하지 않는 진동 및 온도 상승 감쇠

앞서 언급했듯이, 이러한 원하지 않는 진동은 온도 불균형이 있는 경우 배열 내 다른 MOSFET에서 발생할 수 있습니다. 즉, 한 MOSFET에서의 공진 조건이 다른 MOSFET과 다를 수 있습니다. 주어진 게이트 전압에 대해 한 MOSFET이 다른 MOSFET보다 강한 진동을 경험한다면, 그 구성 요소는 자체적으로 파괴될 수 있습니다. 따라서, 이러한 구성 요소들이 직렬로 연결되어 있다면 같은 온도를 유지하는 것이 최선입니다. 이는 큰 방열판을 사용하거나 PCB 레이아웃에서 구성 요소 아래에 평면 레이어를 사용함으로써 이루어질 수 있습니다.

공진 조건을 수정하는 다른 방법은 구동 회로에 게이트 저항기를 배치하는 것입니다(위 참조, 여기서 작은 5 옴 저항기가 포함되어 있음). 하프 브리지 LLC 공진 변환기에서 MOSFET은 이 두 포트 사이에 높은 감쇠를 제공하기 위해 소스와 게이트를 연결하는 매우 큰 저항기를 가질 수 있습니다. 이러한 저항기 값으로 실험하여 병렬 회로에서 감쇠에 미치는 영향을 살펴볼 수 있습니다.

아날로그 시뮬레이션은 전력 MOSFET을 병렬로 포함하는 회로 설계의 핵심 부분입니다. Altium Designer®의 회로 설계 및 PCB 레이아웃 도구는 회로를 생성하고, 신호 동작을 시뮬레이션하며, PCB 레이아웃을 생성하는 데 도움이 되는 완벽한 기능 세트를 제공합니다. 회로도 설계를 검증한 후에는 Altium 365® 플랫폼에서 설계 데이터를 공유할 수 있어, 설계 팀과 함께 작업하고 설계 데이터를 관리하는 데 편리한 방법을 제공합니다.

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