Следует ли использовать силовые MOSFET-транзисторы параллельно?

Дизайнер смелых систем питания должен знать все о MOSFET-транзисторах и их особых электрических характеристиках, но работа с массивами MOSFET-транзисторов может быть совсем другим делом. Одна из схем, которую вы можете встретить в системе преобразования энергии, заключается в параллельном соединении нескольких силовых MOSFET-транзисторов. Это позволяет распределить нагрузку между несколькими MOSFET-транзисторами с целью снижения нагрузки на отдельные транзисторы в вашей системе.

К сожалению, МОП-транзисторы (и в целом нелинейные компоненты) не делят ток между собой так же просто, как, например, группа резисторов, соединённых параллельно. Так же, как и в случае с одиночным МОП-транзистором, теперь тепловыделение становится важным фактором, поскольку оно определяет пороговое поведение МОП-транзисторов (опять же, это относится к любой реальной нелинейной схеме). Чтобы понять, как эти компоненты взаимодействуют друг с другом в такой конфигурации, нам нужно рассмотреть паразитные эффекты, существующие внутри чипа МОП-транзистора и между мощными МОП-транзисторами, соединёнными параллельно, чтобы вы могли предотвратить саморазрушение компонентов.

Работа с параллельными МОП-транзисторами

Как и любой другой компонент, будь то линейный или нелинейный, множественные одинаковые компоненты или сети цепей могут быть подключены параллельно. Это также относится к силовым MOSFET, BJT или другим группам компонентов в ваших схемах. Для 3-контактных устройств, таких как MOSFET, где питание должно подаваться на два контакта, конфигурация может быть не такой интуитивно понятной. Ниже приведена схема из преобразователя мощности, где четыре MOSFET подключены параллельно на выходной стороне преобразователя.

Обратите внимание, что к затвору каждого MOSFET подключен маленький резистор (я объясню почему через момент). Также имеется единственный импульс затвора от синхронного драйвера на порту VG_PWM, который используется для одновременного переключения каждого MOSFET. Другими словами, эти MOSFET не управляются каскадным способом; они управляются таким образом, что все они переключаются и позволяют току течь в один и тот же момент.

Преимущества такого подключения MOSFET заключаются в том, что каждый из них может обеспечивать меньший ток к нагрузке. Другими словами, общий ток равномерно распределяется между каждым MOSFET, при условии, что у них одинаковое сопротивление в открытом состоянии. Это позволяет каждому силовому MOSFET обеспечивать высокий ток, сохраняя при этом высокий запас по току, что в свою очередь снижает количество выделяемого ими тепла.

Два момента не учитываются в типичном анализе параллельно включенных силовых МОП-транзисторов: паразитные элементы в МОП-транзисторе. Паразитные элементы уже создают ограничение полосы пропускания, фильтрацию или резонансные эффекты в реальных компонентах. Однако, когда мы используем несколько силовых МОП-транзисторов, включенных параллельно и управляемых сигналом ШИМ высокой частоты, их паразитные элементы могут взаимодействовать друг с другом и увеличивать вероятность нежелательных колебаний во время переключения. Это может проявляться в виде сбоя на выходе системы и привести к чрезмерному нагреву пострадавшего МОП-транзистора.

Моделирование параллельно включенных силовых МОП-транзисторов

Когда у вас есть несколько параллельно подключенных силовых MOSFET-транзисторов, и вы хотите смоделировать, как могут возникать паразитные колебания, вы можете построить простую схему с драйвером затвора для ваших конкретных MOSFET-транзисторов. Убедитесь, что вы прикрепили к вашему компоненту соответствующую модель симуляции, где модель включает в себя паразитную емкость между различными выводами компонента. Пример схемы с нагрузкой на стороне истока показан ниже.

Я использовал источник VPULSE из библиотеки Simulation Sources.IntLib для моделирования драйвера ШИМ. Диод D1 - это диод 1N914, включенный в схему управления затвором транзистора NMOS. Отсюда вам просто нужно выполнить переходной анализ, чтобы исследовать ток и мощность, подаваемые на нагрузку MOSFET.

Обратите внимание, что в этой симуляции есть несколько величин, представляющих интерес:

• Время нарастания PWM: это определяет полосу пропускания сигнала PWM и должно соответствовать характеристикам вашего MOSFET
• Частота PWM: сигнал PWM с более высокой частотой будет иметь меньшее сопротивление из-за паразитной емкости, что вводит больше мощности в паразитную обратную связь, возможно, приводя систему в резонанс.
• Напряжение затвора: Поскольку реакция MOSFET зависит от величины напряжения затвора, также будет зависеть любая паразитная осцилляция, возникающая при переключении сигнала PWM на параллельный массив.

Вы легко можете заметить эффекты паразитной индуктивности и паразитной емкости в транзиентном моделировании. Пример ниже показывает результаты для пары МОП-транзисторов выше, когда паразитная емкость и индуктивность включены в модель моделирования. Обратите внимание на большие помехи, которые четко видны в отклике во временной области, когда сигнал ШИМ переключается.

Подавление Нежелательных Колебаний и Повышения Температуры

Как было упомянуто ранее, эти нежелательные колебания могут возникать в различных MOSFET в массиве, если есть дисбаланс температур. Другими словами, условия для резонанса в одном MOSFET могут отличаться от условий в другом MOSFET. Если один MOSFET испытывает сильные колебания до других MOSFET при данном напряжении затвора, то компонент может уничтожить себя. Поэтому лучше всего поддерживать эти компоненты при одинаковой температуре, если они соединены последовательно. Это можно сделать с помощью большого радиатора или плоского слоя под компонентами в вашей компоновке печатной платы.

Другой способ изменить условия для резонанса - это разместить резистор затвора в управляющей цепи (см. выше, где включен небольшой резистор на 5 Ом). MOSFET в полумостовых LLC резонансных преобразователях могут иметь очень большой резистор, соединяющий истоки и затвор для обеспечения высокого демпфирования между этими двумя портами. Вы можете экспериментировать с этими значениями резисторов, чтобы исследовать, как они влияют на демпфирование в параллельной цепи.

Аналоговое моделирование является ключевой частью проектирования схем, включая параллельное соединение силовых МОП-транзисторов. Инструменты проектирования схем и размещения печатных плат в Altium Designer® предоставляют вам полный набор функций, помогающих создавать ваши схемы, моделировать поведение сигналов и разрабатывать размещение печатной платы. После того, как вы подтвердили качество вашей схемы, вы можете поделиться данными проекта на платформе Altium 365®, что предоставляет удобный способ работы с вашей командой проектировщиков и управления данными проекта.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.