Bạn Có Nên Sử Dụng Các MOSFET Công Suất Song Song Không?

Nhà thiết kế hệ thống điện năng dũng cảm nên biết tất cả về MOSFETs và những đặc tính điện cụ thể của chúng, nhưng làm việc với các mảng MOSFETs có thể là một thách thức khác. Một cách bố trí bạn có thể thấy trong hệ thống chuyển đổi điện năng là đặt nhiều MOSFETs công suất song song. Điều này chia sẻ tải trọng giữa nhiều MOSFETs với mục tiêu giảm bớt gánh nặng cho các transistor cá nhân trong hệ thống của bạn.

Thật không may, MOSFETs (và các thành phần phi tuyến tính nói chung) không đơn giản chỉ chia dòng điện giữa chúng như cách mà, chẳng hạn, một nhóm các điện trở mắc song song. Giống như trong một MOSFET đơn lẻ, nhiệt độ bây giờ trở thành một yếu tố cần xem xét vì nó quyết định hành vi ngưỡng trong MOSFETs (một lần nữa, điều này áp dụng cho bất kỳ mạch phi tuyến tính thực tế nào). Để xem các thành phần này tương tác với nhau trong sắp xếp này như thế nào, chúng ta cần phải xem xét các yếu tố nhiễu loạn tồn tại bên trong một chip MOSFET và giữa các MOSFET công suất mắc song song để bạn có thể ngăn chặn các thành phần tự hủy hoại.

Làm việc với MOSFETs Mắc Song Song

Như bất kỳ linh kiện nào khác, dù là tuyến tính hay phi tuyến tính, nhiều linh kiện giống nhau hoặc mạng mạch có thể được kết nối song song. Điều này cũng đúng với các MOSFETs, BJTs, hoặc các nhóm linh kiện khác trong sơ đồ của bạn. Đối với các thiết bị 3 chân như MOSFETs, nơi mà nguồn điện phải được cung cấp ở hai chân, cấu hình liên quan có thể không quá trực quan. Sơ đồ dưới đây cho thấy một ví dụ từ một bộ chuyển đổi nguồn nơi bốn MOSFETs được kết nối song song ở phía đầu ra của bộ chuyển đổi.

Lưu ý rằng có một điện trở nhỏ được kết nối với cổng trên mỗi MOSFET (tôi sẽ giải thích lý do trong một lát). Cũng có một xung cổng đơn từ một trình điều khiển đồng bộ tại cổng VG_PWM, được sử dụng để chuyển đổi mỗi MOSFET cùng một lúc. Nói cách khác, các MOSFET này không được điều khiển theo cách xếp chồng; chúng được điều khiển sao cho tất cả chúng đều chuyển mạch và cho phép dòng điện chảy vào cùng một thời điểm.

Lợi ích của việc kết nối MOSFET theo cách này là chúng có thể mỗi cái cung cấp dòng điện thấp hơn cho tải. Nói cách khác, tổng dòng điện được chia đều cho mỗi MOSFET, giả sử rằng chúng có cùng điện trở trạng thái ON. Điều này cho phép mỗi MOSFET công suất cao cung cấp dòng điện cao trong khi vẫn có biên độ dòng điện cao, từ đó giảm lượng nhiệt mà chúng tạo ra.

Hai điểm không được bao gồm trong phân tích thông thường về các MOSFET công suất mắc song song: các thành phần nhiễu trong MOSFET. Các thành phần nhiễu đã tạo ra hiệu ứng giới hạn băng thông, lọc, hoặc cộng hưởng trong các linh kiện thực tế. Tuy nhiên, khi chúng ta có nhiều MOSFET công suất mắc song song được điều khiển bằng tín hiệu PWM tần số cao, các thành phần nhiễu của chúng có thể tương tác với nhau và tăng khả năng xảy ra dao động không mong muốn trong quá trình chuyển mạch. Điều này sau đó sẽ xuất hiện như một lỗi trên đầu ra hệ thống và có thể dẫn đến quá nhiệt ở MOSFET bị ảnh hưởng.

Mô phỏng MOSFET Công Suất Mắc Song Song

TRANSLATE:

Khi bạn có nhiều MOSFET công suất mắc song song, và bạn muốn mô phỏng xem dao động nhiễu có thể phát sinh như thế nào, bạn có thể xây dựng một mạch đơn giản với một bộ kích cổng cho MOSFET cụ thể của bạn. Hãy chắc chắn rằng bạn đã gắn mô hình mô phỏng phù hợp với linh kiện của mình, nơi mô hình bao gồm dung kháng lạc đường giữa các chân trong linh kiện. Một ví dụ mạch với tải ở phía nguồn được hiển thị dưới đây.

Tôi đã sử dụng nguồn VPULSE từ thư viện Simulation Sources.IntLib để mô hình hóa một trình điều khiển PWM. Diode D1 là một diode 1N914 được sắp xếp trong một mạch điều khiển cổng cho một transistor NMOS. Từ đây, bạn chỉ cần thực hiện phân tích chuyển tiếp để kiểm tra dòng điện và công suất cung cấp cho tải bởi các MOSFETs.

Lưu ý rằng có một số lượng quan tâm trong mô phỏng này:

• Thời gian tăng PWM: điều này xác định băng thông của tín hiệu PWM và nên được phù hợp với thông số kỹ thuật cho MOSFET của bạn
• Tần số PWM: một tín hiệu PWM với tần số cao hơn sẽ gặp phải trở kháng thấp hơn từ dung kháng nhiễu, điều này tiêm thêm năng lượng vào vòng phản hồi nhiễu, có thể khiến hệ thống đi vào cộng hưởng.
• Điện áp cổng: Bởi vì phản ứng của MOSFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp cổng, nên bất kỳ dao động nhiễu nào phát sinh khi tín hiệu PWM chuyển đổi mảng song song cũng sẽ phụ thuộc vào nó.

Bạn có thể dễ dàng nhận thấy ảnh hưởng của độ tự cảm nhiễu và dung kháng nhiễu trong một mô phỏng tạm thời. Ví dụ dưới đây cho thấy kết quả cho cặp MOSFET ở trên khi dung kháng nhiễu và độ tự cảm nhiễu được bao gồm trong mô hình mô phỏng. Chú ý đến những lỗi lớn có thể thấy rõ trong phản ứng theo thời gian khi tín hiệu PWM chuyển đổi.

Giảm Dao Động và Tăng Nhiệt Độ Không Mong Muốn

Như đã đề cập trước đó, những dao động không mong muốn này có thể xuất hiện ở các MOSFET khác nhau trong mảng nếu có sự mất cân bằng nhiệt độ. Nói cách khác, điều kiện để cộng hưởng ở một MOSFET có thể khác với MOSFET khác. Nếu một MOSFET trải qua dao động mạnh trước các MOSFET khác với một điện áp cổng nhất định, thì linh kiện có thể tự hủy hoại. Do đó, tốt nhất là giữ cho các linh kiện này ở cùng một nhiệt độ nếu chúng được kết nối nối tiếp. Điều này có thể được thực hiện với một tản nhiệt lớn hoặc một lớp mặt phẳng phía dưới các linh kiện trong bố cục PCB của bạn.

Cách khác để điều chỉnh điều kiện cho cộng hưởng là đặt một điện trở cổng trong mạch lái (xem ở trên, nơi mà một điện trở nhỏ 5 Ohm được bao gồm). MOSFETs trong bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC nửa cầu có thể có một điện trở rất lớn kết nối các nguồn và cổng để cung cấp sự giảm xóc cao giữa hai cổng này. Bạn có thể thử nghiệm với các giá trị điện trở này để xem chúng ảnh hưởng như thế nào đến sự giảm xóc trong mạch song song.

Mô phỏng tương tự là một phần không thể thiếu trong thiết kế mạch, bao gồm cả việc sử dụng MOSFET công suất mắc song song. Công cụ thiết kế mạch và bố trí PCB trong Altium Designer® cung cấp cho bạn một bộ tính năng đầy đủ để giúp bạn tạo ra các mạch của mình, mô phỏng hành vi tín hiệu, và tạo bố trí PCB của bạn. Sau khi bạn đã xác nhận thiết kế sơ đồ của mình, bạn có thể chia sẻ dữ liệu thiết kế của mình trên nền tảng Altium 365®, cung cấp cho bạn một cách dễ dàng để làm việc với đội ngũ thiết kế của bạn và quản lý dữ liệu thiết kế của bạn.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể xem trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.