Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Skrzynka porad - Jak równolegle łączyć MOSFET-y?

Jak jest z równoległym łączeniem mosfetów? (...) na schemacie wzmacniacza (...) mają oporniki wyrównawcze w źródle (...) przecież mają dodatni współczynnik cieplny (...) Czy naprawdę trzeba dawać oporniki wyrównawcze, czy nie? (...)
Article Image
jak jest z równoległym łączeniem mosfetów? (...) na schemacie wzmacniacza (...) mają oporniki wyrównawcze w źródle (...) przecież mają dodatni współczynnik cieplny (...) Czy naprawdę trzeba dawać oporniki wyrównawcze, czy nie? (...)

Tranzystory łączymy równolegle w większy zestaw po to, by taki zestaw mógł pracować przy prądzie większym niż pojedynczy element. Zawsze łączymy jednakowe elementy: diody i tranzystory jednakowego typu i z jednej serii produkcyjnej. Czasem elementy są dodatkowo selekcjonowane, żeby ich parametry były jak najbardziej zbliżone. To pomaga, ale nigdy nie uda się osiągnąć sytuacji, gdy przez każdy element będzie płynął dokładnie taki sam prąd. Zawsze występuje pewien rozrzut parametrów i różnice wartości prądów.

Sprawa równoległego łączenia w przypadku diod i tranzystorów bipolarnych jest prosta: elementy te mają, powiedzmy ujemny współczynnik cieplny i łącząc je równolegle, zawsze trzeba stosować rezystory wyrównawcze. Ze wzrostem temperatury maleje napięcie przewodzenia diod i napięcie UBE tranzystorów. Mówimy o ujemnym współczynniku, bowiem ze wzrostem temperatury napięcie przewodzenia zmniejsza się.

Nas bardziej interesuje to, że przy tym samym napięciu przez element bardziej gorący popłynie większy prąd. A właśnie taka sytuacja występuje przy połączeniu równoległym: przez najcieplejszy element będzie płynął największy prąd, a to będzie oznaczać silniejsze nagrzewanie tego elementu i dalszy wzrost prądu, przy jednoczesnym obniżaniu temperatury pozostałych, przewodzących coraz mniejsze prądy.

Coraz bardziej grzejący się element przejmie w końcu prawie cały prąd zestawu, a to doprowadzi do jego przegrzania i uszkodzenia. Jeśli uszkodzenie będzie polegać nie na zwarciu, tylko na rozwarciu przegrzanego elementu, później tak samo będzie z kolejnymi elementami, które jeden po drugim będą się tak samo przegrzewać i uszkadzać. Aby tego uniknąć, niezbędne są rezystory szeregowe o niedużej wartości. Wzrost prądu powoduje wzrost spadku napięcia na rezystancji, co kompensuje zmniejszanie się napięcia przewodzenia i zapobiega uszkodzeniu.

Jednak obecność rezystorów nie likwiduje problemu, tylko go zmniejsza: tym bardziej, im większy jest spadek napięcia na tych rezystorach. Zwykle dobiera się spadek rzędu 0,2...0,3 wolta, a spadki poniżej 0,1 wolta mogą być za mało skuteczne.

Z tranzystorami MOSFET sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana i słabo rozumiana. Szczegóły wykraczają poza ramy Skrzynki Porad. Oto kwestie najważniejsze: w przypadku tranzystorów MOSFET ogólnie znany jest fakt, że przy wzroście temperatury zwiększa się rezystancja RDSon, co jest zjawiskiem korzystnym. Ten MOSFET, który (z jakichkolwiek powodów) grzeje się najbardziej, zwiększy swoją rezystancję RDSon, co spowoduje, że prąd przezeń płynący się zmniejszy. Wytworzy się nowy stan równowagi: temperatury poszczególnych MOSFET-ów będą różne, prądy przezeń płynące także, ale do uszkodzenia nie dojdzie.

Te informacje są ogólnie znane, jednak w praktyce sprawa wcale nie jest taka prosta. W pewnych przypadkach może jednak dość do uszkodzenia. Samoczynna regulacja rozpływu prądów przez wzrost RDSon jest akceptowalna, o ile spełniony jest jeden jedyny kluczowy warunek: temperatura struktury żadnego z tranzystorów nie powinna przekroczyć temperatury dopuszczalnej (która dla MOSFET-ów zwykle wynosi +175°C). A nie zawsze tak będzie.

Na przykład problem powstanie, gdy użyte jednakowe MOSFET-y będą mieć znacząco różne warunki chłodzenia. Ten o najgorszym chłodzeniu będzie się grzał najbardziej i jego złącze może przekroczyć dopuszczalną temperaturę +175°C. Zależy to nie tylko od warunków chłodzenia, ale i od tego, na ile blisko wartości granicznych zaplanowana jest praca zestawu tranzystorów.

Przekroczenie dopuszczalnej temperatury może też nastąpić w jednym z MOSFET-ów składowych pracujących w szybkich układach impulsowych, jeżeli napięcia progowe UGSth nie będą jednakowe lub gdy warunki sterowania poszczególnych MOSFET-ów będą inne, np. wskutek pasożytniczych indukcyjności i rezystancji. Nie dotyczy to częstotliwości przełączania rzędu kilkunastu czy kilkudziesięciu kiloherców, a jedynie szybkich przetwornic pracujących z częstotliwościami rzędu kilkuset kHz i więcej.

Generalnie jednak w przypadku równoległego łączenia MOSFET-ów nie trzeba stosować rezystorów wyrównawczych, ale koniecznie trzeba zastosować tranzystory o jednakowych parametrach oraz zapewnić jednakowe warunki ich sterowania i chłodzenia.

Trzeba podkreślić, że omówione właśnie kwestie dotyczą tylko MOSFET-ów pracujących dwustanowo, gdy są one w pełni otwierane, bo tylko wtedy w grę wchodzi rezystancja RDSon. Wprawdzie tak pracuje ogromna większość MOSFETów, jednak są zastosowania, gdy MOSFET-y są łączone równolegle i pracują w stanie częściowego otwarcia, czyli w zakresie liniowym. Między innymi tak jest w niektórych wzmacniaczach mocy audio klasy AB „z MOSFET-ami na wyjściu”. Wtedy pojawia się poważny problem.

Równoległe łączenie MOSFET-ów do pracy liniowej okazuje się bardzo trudnym zadaniem!

Po pierwsze, nawet MOSFET-y z jednej serii produkcyjnej mogą mieć znaczny rozrzut charakterystyk przejściowych. Dlatego dobierając MOSFET-y i tranzystory IGBT do pracy równoległej, trzeba nie tylko zmierzyć napięcie progowe UGSth, ale też zbadać zgodność charakterystyk przy dużych prądach roboczych. W praktyce oznacza to konieczność pomiaru napięcia UGS i prądu drenu co najmniej w dwóch punktach: dla małego prądu (spoczynkowego prądu stopnia końcowego) oraz dla dużego prądu (bliskiego maksymalnemu prądowi roboczemu w danym wzmacniaczu).

Osoby niezorientowane sadzą, że takie dwupunktowe dobranie tranzystorów rozwiązuje problem i że resztę załatwi „dodatni współczynnik cieplny RDSon”.

Niestety nie!

W przypadku pracy liniowej tranzystor nigdy nie zostaje całkowicie otwarty, więc nie można mówić o rezystancji RDSon i jej wzroście. A poważny i mało znany problem leży gdzie indziej: MOSFET-y mają ujemny współczynnik napięcia UGS. Mianowicie ze wzrostem temperatury maleje napięcie, potrzebne do uzyskania danego prądu drenu. Według książkowych rozważań przy pewnym prądzie współczynnik ten ma wartość zero. To prawda, ale dopiero przy bardzo dużym prądzie drenu.

Rys.A Współczynnik napięcia

Jak widać na rysunku A dotyczącym MOSFET-a IRF540 (Harris), zerowy współczynnik występuje przy prądzie drenu kilkunastu amperów, a w zastosowaniach liniowych na pewno tranzystor będzie pracował przy mniejszych prądach, gdy współczynnik cieplny napięcia UGS jest ujemny. Przy połączeniu równoległym i pracy liniowej któryś z MOSFET-ów będzie się grzał bardziej niż inne, jego prąd będzie rósł, co jeszcze zwiększy jego nagrzewanie. Przejmie on prawie cały prąd i przegrzeje się, podobnie jak to jest z tranzystorami bipolarnymi.

Oznacza to, że przy równoległym łączeniu MOSFET-ów do pracy liniowej trzeba nie tylko jak najdokładniej dobrać ich charakterystyki, zapewnić jednakowe chłodzenie, ale też koniecznie zastosować rezystory wyrównawcze w obwodach źródeł według rysunku B. Rezystory takie nie likwidują problemu, tylko go redukują. Wartości tych rezystorów i spadek napięcia przy spodziewanym maksymalnym prądzie pracy trzeba dobrać, by nawet w najgorszym przypadku nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury złącza żadnego z MOSFET-ów składowych. Obliczenie tego jest trudne. Takich rozwiązań w miarę możliwości należy unikać.

Rys.B Zastosowanie rezystorów wyrównawczych

Dlatego z uwagi na problemy, związane z łączeniem równoległym, nie tylko przy pracy liniowej najlepszym rozwiązaniem jest stosowanie pojedynczych „większych” MOSFET-ów, co obecnie okazuje się najprostszym i niedrogim rozwiązaniem.

Tematyka materiału: MOSFET
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich październik 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
październik 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo