Czy warto używać równolegle tranzystorów MOSFET?

Projektant nieustraszonych systemów zasilania powinien znać wszystko o MOSFET-ach i ich szczególnych cechach elektrycznych, ale praca z układami MOSFET-ów może być zupełnie innym wyzwaniem. Jednym z układów, które możesz zobaczyć w systemie konwersji mocy, jest umieszczenie wielu tranzystorów MOSFET równolegle. Pozwala to na podzielenie obciążenia między wiele MOSFET-ów z celem zmniejszenia obciążenia poszczególnych tranzystorów w twoim systemie.

Niestety, MOSFETy (i ogólnie komponenty nieliniowe) nie dzielą między sobą prądu w taki sam sposób jak na przykład grupa rezystorów połączonych równolegle. Podobnie jak w przypadku pojedynczego MOSFET, ciepło staje się teraz czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, ponieważ określa zachowanie progowe w MOSFETach (ponownie, dotyczy to każdego rzeczywistego obwodu nieliniowego). Aby zobaczyć, jak te komponenty oddziałują na siebie w tej konfiguracji, musimy przyjrzeć się pasożytom, które istnieją wewnątrz chipa MOSFET i między MOSFETami mocy połączonymi równolegle, abyś mógł zapobiec samozniszczeniu się komponentów.

Praca z równoległymi MOSFETami

Podobnie jak w przypadku innych komponentów, zarówno liniowych, jak i nieliniowych, wielokrotności tego samego komponentu lub sieci obwodów mogą być połączone równolegle. Dotyczy to również tranzystorów mocy MOSFET, BJT oraz innych grup komponentów w schematach. Dla urządzeń 3-zaciskowych, takich jak MOSFETy, gdzie zasilanie musi być dostarczone do dwóch zacisków, konfiguracja może nie być tak intuicyjna. Poniższy schemat pokazuje przykład z przetwornicy mocy, gdzie cztery MOSFETy są połączone równolegle po stronie wyjściowej przetwornicy.

Zauważ, że do bramki każdego tranzystora MOSFET podłączony jest mały rezystor (za chwilę wyjaśnię dlaczego). Jest również pojedynczy impuls bramkowy od synchronicznego sterownika na porcie VG_PWM, który jest używany do jednoczesnego przełączania każdego tranzystora MOSFET. Innymi słowy, te tranzystory MOSFET nie są sterowane w sposób kaskadowy; są sterowane tak, aby wszystkie przełączały się i pozwalały na przepływ prądu w tym samym momencie.

Zaletą takiego połączenia tranzystorów MOSFET jest to, że każdy z nich może dostarczać mniejszy prąd do obciążenia. Innymi słowy, całkowity prąd jest równomiernie rozdzielany między każdy tranzystor MOSFET, zakładając, że mają one taką samą rezystancję w stanie ON. Pozwala to każdemu tranzystorowi MOSFET na dostarczanie wysokiego prądu, zachowując jednocześnie wysoki margines prądowy, co z kolei redukuje ilość generowanego ciepła.

Dwa punkty nie są uwzględnione w typowej analizie równoległych tranzystorów MOSFET mocy: pasożytnicze elementy w MOSFET. Pasożyty już tworzą ograniczenie pasma, filtrację lub efekty rezonansowe w rzeczywistych komponentach. Jednak, gdy mamy wiele tranzystorów MOSFET mocy połączonych równolegle, sterowanych sygnałem PWM o wysokiej częstotliwości PWM signal, ich pasożyty mogą oddziaływać na siebie i zwiększać możliwość niechcianej oscylacji podczas przełączania. To mogłoby się wtedy pojawić jako zakłócenie na wyjściu systemu i może prowadzić do nadmiernego nagrzewania się poszkodowanego MOSFET.

Symulowanie równoległych tranzystorów MOSFET mocy

Gdy masz wiele tranzystorów MOSFET połączonych równolegle i chcesz zasymulować, jak mogą powstać oscylacje pasożytnicze, możesz zbudować prosty obwód z sterownikiem bramki dla swoich konkretnych tranzystorów MOSFET. Upewnij się, że dołączyłeś odpowiedni model symulacji do swojego komponentu, gdzie model zawiera pasożytniczą pojemność między różnymi pinami w komponencie. Poniżej pokazano przykładowy obwód z obciążeniem po stronie źródła.

Użyłem źródła VPULSE z biblioteki Simulation Sources.IntLib, aby zamodelować sterownik PWM. Dioda D1 to dioda 1N914 zorganizowana w układzie sterownika bramki dla tranzystora NMOS. Stąd wystarczy przeprowadzić analizę przejściową, aby zbadać prąd i moc dostarczaną do obciążenia przez MOSFETy.

Należy zauważyć, że w tej symulacji interesują nas pewne wielkości:

• Czas narastania PWM: określa pasmo przenoszenia sygnału PWM i powinien być dopasowany do specyfikacji dla twojego MOSFET
• Częstotliwość PWM: sygnał PWM o wyższej częstotliwości będzie miał do czynienia z niższą impedancją ze strony pasożytniczej pojemności, co wprowadza więcej mocy do pasożytniczego obwodu sprzężenia zwrotnego, możliwie prowadząc system do rezonansu.
• Napięcie bramki: Ponieważ odpowiedź MOSFET zależy od wielkości napięcia bramki, tak samo będzie z każdą pasożytniczą oscylacją, która pojawia się, gdy sygnał PWM przełącza równoległą tablicę.

Efekty indukcyjności pasożytniczej i pojemności pasożytniczej można łatwo zauważyć w symulacji przejściowej. Poniższy przykład pokazuje wyniki dla pary tranzystorów MOSFET powyżej, gdy pojemność pasożytnicza i indukcyjność są uwzględnione w modelu symulacji. Zwróć uwagę na duże zakłócenia, które są wyraźnie widoczne w odpowiedzi w dziedzinie czasu, gdy sygnał PWM przełącza się.

Tłumienie niepożądanych oscylacji i wzrostu temperatury

Jak wspomniano wcześniej, te niechciane oscylacje mogą pojawiać się w różnych tranzystorach MOSFET w układzie, jeśli występuje nierównowaga temperatur. Innymi słowy, warunek rezonansu w jednym tranzystorze MOSFET może być inny niż w innym tranzystorze MOSFET. Jeśli jeden tranzystor MOSFET doświadcza silnych oscylacji przed innymi tranzystorami MOSFET przy danym napięciu bramki, wówczas komponent może się zniszczyć. Dlatego najlepiej jest utrzymywać te komponenty w tej samej temperaturze, jeśli są połączone szeregowo. Można to osiągnąć za pomocą dużego radiatora lub warstwy płaszczyzny poniżej komponentów w układzie PCB.

Innym sposobem na zmianę warunków rezonansu jest umieszczenie rezystora bramkowego w obwodzie sterującym (patrz powyżej, gdzie dołączono mały rezystor 5 Ohm). MOSFETy w przetwornicach rezonansowych półmostkowych LLC mogą mieć bardzo duży rezystor łączący źródła i bramkę, aby zapewnić wysokie tłumienie między tymi dwoma portami. Możesz eksperymentować z wartościami tych rezystorów, aby zbadać, jak wpływają one na tłumienie w obwodzie równoległym.

Symulacja analogowa jest kluczowym elementem projektowania obwodów, w tym dla równolegle połączonych tranzystorów MOSFET. Narzędzia do projektowania obwodów i układu PCB w Altium Designer® oferują kompletny zestaw funkcji, które pomogą Ci stworzyć Twoje obwody, symulować zachowanie sygnałów i tworzyć układ PCB. Po zweryfikowaniu projektu schematu, możesz udostępnić dane swojego projektu na platformie Altium 365®, co daje Ci łatwy sposób na współpracę z zespołem projektowym i zarządzanie danymi projektu.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z webinarów na żądanie.