Deve Usar MOSFETs de Potência em Paralelo?

O designer de sistemas de energia intrépido deve conhecer tudo sobre MOSFETs e suas peculiaridades elétricas particulares, mas trabalhar com arranjos de MOSFETs pode ser outra fera. Um arranjo que você pode ver em um sistema de conversão de energia é colocar vários MOSFETs de potência em paralelo. Isso compartilha a carga entre vários MOSFETs com o objetivo de reduzir o fardo sobre os transistores individuais no seu sistema.

Infelizmente, os MOSFETs (e componentes não lineares em geral) não dividem a corrente entre si da mesma maneira que, por exemplo, um grupo de resistores em paralelo. Assim como em um único MOSFET, o calor agora se torna uma consideração, pois determina o comportamento de limiar nos MOSFETs (novamente, isso se aplica a qualquer circuito não linear real). Para ver como esses componentes interagem entre si nessa disposição, precisamos olhar para os parasitas que existem dentro de um chip MOSFET e entre MOSFETs de potência em paralelo, para que você possa evitar que os componentes se destruam.

Trabalhando com MOSFETs em Paralelo

Como qualquer outro componente, seja ele linear ou não linear, múltiplos do mesmo componente ou rede de circuitos podem ser conectados em paralelo. Isso também é verdade para MOSFETs, BJTs, ou outros grupos de componentes em seus esquemas. Para dispositivos de 3 terminais como os MOSFETs, onde a energia deve ser fornecida em dois terminais, a configuração envolvida pode não ser tão intuitiva. O esquema abaixo mostra um exemplo de um conversor de energia onde quatro MOSFETs estão conectados em paralelo no lado de saída do conversor.

Note que existe um pequeno resistor conectado ao gate em cada MOSFET (explicarei o motivo em um momento). Há também um único pulso de gate de um driver síncrono na porta VG_PWM, que é usado para comutar cada MOSFET simultaneamente. Em outras palavras, esses MOSFETs não são acionados de maneira cascata; eles são acionados de tal forma que todos comutam e permitem a passagem de corrente no mesmo instante.

As vantagens de conectar os MOSFETs desta maneira é que cada um pode ser usado para fornecer menor corrente a uma carga. Em outras palavras, a corrente total é dividida igualmente entre cada MOSFET, assumindo que eles tenham a mesma resistência no estado ligado. Isso permite que cada MOSFET de potência forneça alta corrente enquanto ainda possui uma grande margem de corrente, o que, por sua vez, reduz a quantidade de calor que eles geram.

Dois pontos não estão incluídos na análise típica de MOSFETs de potência em paralelo: os parasitas no MOSFET. Os parasitas já criam limitação de largura de banda, filtragem ou efeitos de ressonância em componentes reais. No entanto, quando temos múltiplos MOSFETs de potência em paralelo sendo acionados com um sinal PWM de alta frequência PWM signal, seus parasitas podem interagir entre si e aumentar a possibilidade de uma oscilação indesejada durante a comutação. Isso então apareceria como uma falha na saída do sistema e pode levar a um aquecimento excessivo no MOSFET afetado.

Simulando MOSFETs de Potência em Paralelo

Quando você tem múltiplos MOSFETs de potência em paralelo, e deseja simular como oscilações parasitas podem surgir, você pode construir um circuito simples com um driver de gate para seus MOSFETs específicos. Certifique-se de ter anexado o modelo de simulação apropriado ao seu componente, onde o modelo inclui capacitância parasita entre os vários pinos no componente. Um exemplo de circuito com uma carga no lado do source é mostrado abaixo.

Usei uma fonte VPULSE da biblioteca Simulation Sources.IntLib para modelar um driver PWM. O diodo D1 é um diodo 1N914 disposto em um circuito de driver de gate para um transistor NMOS. A partir daqui, você simplesmente precisa realizar uma análise transiente para examinar a corrente e a potência entregues à carga pelos MOSFETs.

Note que há algumas quantidades que são de interesse nesta simulação:

• Tempo de subida do PWM: isso determina a largura de banda do sinal PWM e deve ser compatível com as especificações do seu MOSFET
• Frequência do PWM: um sinal PWM com frequência mais alta terá menor impedância devido à capacitância parasita, o que injeta mais potência no loop de feedback parasita, possivelmente levando o sistema à ressonância.
• Tensão de gate: Como a resposta de um MOSFET depende da magnitude da tensão de gate, o mesmo ocorrerá com qualquer oscilação parasita que surja quando o sinal PWM alterna o arranjo paralelo.

Você pode facilmente identificar os efeitos da indutância parasita e da capacitância parasita em uma simulação transitória. O exemplo abaixo mostra os resultados para o par de MOSFETs acima quando a capacitância parasita e a indutância são incluídas no modelo de simulação. Note as grandes interferências que são claramente vistas na resposta no domínio do tempo à medida que o sinal PWM comuta.

Amortecimento de Oscilações Indesejadas e Aumento de Temperatura

Como foi mencionado anteriormente, essas oscilações indesejadas podem surgir em diferentes MOSFETs no arranjo se houver um desequilíbrio de temperatura. Em outras palavras, a condição para ressonância em um MOSFET pode ser diferente da de outro MOSFET. Se um MOSFET experimentar oscilações fortes antes dos outros MOSFETs para uma determinada tensão de porta, então o componente pode se autodestruir. Portanto, é melhor manter esses componentes na mesma temperatura se eles estiverem conectados em série. Isso pode ser feito com um grande dissipador de calor ou uma camada plana abaixo dos componentes no layout da sua PCB.

Outra maneira de modificar as condições para ressonância é colocar um resistor de porta no circuito de acionamento (veja acima, onde um pequeno resistor de 5 Ohms está incluído). MOSFETs em conversores ressonantes de meio-ponte LLC podem ter um resistor muito grande conectando as fontes e o portão para fornecer alta amortecimento entre essas duas portas. Você pode experimentar com esses valores de resistor para examinar como eles afetam o amortecimento no circuito paralelo.

A simulação analógica é uma parte central do projeto de circuitos, incluindo para MOSFETs de potência em paralelo. As ferramentas de projeto de circuitos e layout de PCB no Altium Designer® oferecem um conjunto completo de recursos para ajudá-lo a criar seus circuitos, simular o comportamento do sinal e criar o layout do seu PCB. Uma vez que você tenha qualificado o seu projeto esquemático, você pode compartilhar seus dados de projeto na plataforma Altium 365®, proporcionando uma maneira fácil de trabalhar com sua equipe de projeto e gerenciar seus dados de projeto.

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