Оглавление:
В источниках питания часто используется параллельное соединение МОП-транзисторов. Основная цель — разделить ток между транзисторами, что при положительном температурном коэффициенте RDS(ON) обычно предотвращает блокировку тока, протекающего через одиночный транзистор. Чтобы эта модифицированная схема работала должным образом, МОП-транзистор должен работать в области близкой к насыщению, как в случае переключающих схем, а не в триодной или линейной области, как в случае линейных схем.
Можно сказать, что в импульсных источниках питания характеристики силовых МОП-транзисторов при определенных обстоятельствах идут на пользу разработчику. Это имеет место на этапах преобразования мощности, когда используют МОП-транзисторы в качестве силовых ключей. Но этого нельзя сказать о МОП-транзисторах используемых для защиты цепей и в электронных нагрузках.
Безопасная рабочая зона и термостабильность
Типичным методом повышения мощности (по току) является параллельное соединение силовых транзисторов. В те времена, когда биполярные транзисторы были единственным выбором, конструкторы поняли что при соблюдении правильных условий они могут сравнительно легко соединить эти радиодетали параллельно.
Отрицательный температурный коэффициент VBE приводит к увеличению тока коллектора с температурой (биполярный транзистор моделируется как источник тока, где MOSFET имеет переменное сопротивление). Но эту тенденцию можно контролировать, поскольку высокая крутизна биполярного транзистора позволяет соответствующим образом устанавливать разделение тока между транзисторами с помощью эмиттерных балластных резисторов.
Тут следует помнить, что термическая нестабильность всей группы биполярных транзисторов, включенных параллельно, еще возможна, если не предусмотрена температурная компенсация схемы управления или когда эти транзисторы находятся в токовом контуре регулирования.
С появлением MOSFET-транзисторов ситуация изменилась. Положительный температурный коэффициент RDS(ON) полевого МОП-транзистора означает, что одиночный кристалл будет стремиться ограничивать собственный ток стока. Правда для этого необходимо, чтобы МОП-транзисторы имели драйвер затвора для обеспечения полного усиления. Следовательно, транзисторы будут работать в чисто резистивной области, как и в переключающей схеме. К сожалению, это невозможно, когда МОП-транзисторы работают в триодной или линейной области.
Это одна из проблем, с которыми сталкиваемся при параллельном соединении силовых МОП-транзисторов в линейных схемах. Вторая трудность возникает из-за температурного коэффициента V GS. Большинство МОП-транзисторов имеют область отрицательного температурного коэффициента тока стока в зависимости от напряжения затвора, как показано зеленой стрелкой. Но эта область возникает только при уровнях тока слишком высоких, чтобы их можно было использовать. Большая часть кривой показывает положительный температурный коэффициент тока стока, отмеченный красной стрелкой. Это делает невозможным получение правильного деления тока, что может привести к неконтролируемому повышению температуры одного или нескольких параллельных МОП-транзисторов.
Линейные цепи, в которых силовые МОП-транзисторы могут быть соединены параллельно, можно разделить на 3 основные категории:
- Простые параллельные конфигурации МОП-транзисторов, но не рекомендуемые для практического применения.
- Электронные предохранители (eFuse), или схемы защиты от коммутации, являются очень продвинутыми решениями, но могут обеспечивать ограничение тока и переход в защитные режимы, требующие линейной работы одного или нескольких параллельных MOSFET-транзисторов.
- Электронные нагрузки и линейные усилители мощности, в которых МОП-транзисторы всегда находятся в линейной области.
Обычно рекомендуется добавлять резисторы затвора последовательно, чтобы предотвратить паразитные колебания в МОП-транзисторах.
eFuse и ключи ограничения тока
Элементы, называемые eFuse, выполняют почти ту же функцию, что и системы с горячей заменой. Оба типа работают как в импульсном, так и в линейном режимах. Их можно полностью отключить, расширить диапазон работы, а при необходимости включить режим линейной защиты. Есть даже устройства с электронными предохранителями (eFuse), которые имеют только режимы полного выключения или полного включения (переключения), и такие устройства обеспечивают надежную реализацию параллельных МОП-транзисторов.
Схемы eFuse и горячей замены обычно определяют ток и обеспечивают защиту контура управления затвором для MOSFET. Многие контроллеры имеют один датчик тока и единую схему управления затворами. В этом случае можно подключить МОП-транзисторы параллельно, только учтите что когда контур управляет током, он снижает напряжение затвора до значения ограничения тока. Таким образом, если какой-либо из транзисторов попытается «поглотить» ток, контур, по сути, будет управлять только транзистором с наибольшим током, а сопутствующие МОП-транзисторы могут проводить небольшой ток или вообще не проводить его.
Сама по себе эта ситуация не является разрушительной, но она требует от разработчика относиться к паре МОП-транзисторов так, как если бы они имели SOA (безопасную рабочую зону) одного МОП-транзистора.
Усовершенствования предлагаются некоторыми недавно разработанными драйверами, которые обеспечивают отдельное измерение тока и управление затвором для каждого МОП-транзистора. Это улучшает производительность этих транзисторов, поскольку доступна полная область SOA пары (или любого количества устройств, для которых у контроллера назначены каналы).
Примером такого драйвера является LTC4282, показанный на рисунке далее. Как оказалось, концепции используемые в этой схеме применимы к параллельному соединению МОП-транзисторов в любой линейной схеме, обеспечивая полное использование SOA нескольких МОП-транзисторов. Идея состоит в том, что нужно соединить параллельно цепи управления, а не только МОП-транзисторы.
Проектирование схем с параллельным включением
В течение многих лет электронные нагрузки указывали на надежные МОП-транзисторы с параллельным соединением. Базовый элемент электронной нагрузки состоит из операционного усилителя и источника тока с МОП-транзистором. Работа этой известной и простой схемы интуитивно понятна. VIN — это напряжение, используемое для программирования желаемого тока. Этот ток определяется соотношением напряжения V IN и сопротивления шунтирующего резистора R SHUNT:
Данное соотношение применимо к схемам, показанным на рисунках.
Доступные в продаже электронные нагрузки используют блоки параллельных источников питания, обеспечивая высокие токи, мощность и использование возможностей SOA. Базовая схема представляет собой источник тока, а нагрузочные модули могут иметь глобальные контуры управления для обеспечения постоянного тока, постоянного напряжения, сопротивления и даже реактивного сопротивления.
В прошлом были доступны линейные усилители мощности, которые работали с параллельными полевыми транзисторами, содержащими только «балластные» резисторы в истоковых цепях. Но для обеспечения максимально возможной надежности даже усилитель мощности должен включать в себя схему регулирования тока с обратной связью. В такой конфигурации можно получить полосу пропускания в сотни килогерц, вот только спроектировать устройства на более широкую полосу пропускания и обеспечить их правильную компенсацию будет затруднительно.
В случае линейного усилителя мощности или двунаправленной электронной нагрузки, топология, в которой выходной сигнал плавающей нагрузки берется из стока полевого МОП-транзистора, может быть легко сконфигурирована как выходная цепь в конфигурации источника тока. Источник выходного напряжения получается введением на входе дополнительного усилителя с глобальной обратной связью, снятой с нагрузки. Локальные схемы MOSFET обеспечивают правильную поляризацию покоя независимо от температуры. Характеристики регулирования тока улучшаются, когда используются резисторы источника с более высоким сопротивлением, а низкое смещение операционного усилителя обеспечивает более точное смещение покоя.
Обратите внимание что в конфигурации, где используется глобальная петля обратной связи, важны коэффициент усиления напряжения MOSFET, полоса пропускания и фазовый сдвиг. Преимущество этой конфигурации заключается в том, что операционные усилители могут работать при типовых напряжениях питания (например, ±15 В) с использованием специальных ИП, в то время как выходной каскад способен обеспечивать усиление напряжения при более высоких выходных напряжениях, ограниченных только номинальными напряжениями усилителя.
Подведем итоги к статье
Попытка напрямую распараллелить дискретные МОП-транзисторы, даже включая балластные резисторы источника, в лучшем случае приводит к сомнительной надежности на долгосрок. При таком подходе обеспечить надежность при экстремальных напряжениях питания, рабочих температурах и условиях нагрузки очень сложно. И хотя существует проверенное на производстве решение с соседним кристаллом, которое обеспечивает почти идеальное согласование MOSFET-транзисторов, его сложно и дорого реализовать.
К счастью, современные операционные усилители малы, экономичны и обладают производительностью, позволяющей легко спроектировать схему, позволяющую безопасно параллельно включать МОП-транзисторы. Интегральные микросхемы, такие как драйверы горячей замены, электронные предохранители и нагрузочные коробы, как раз поддерживают использование параллельных МОП-транзисторов.
Но прежде чем принять решение о применении параллельных транзисторов, стоит поискать МОП-транзистор максимально большой мощности, поскольку он может удовлетворить желаемым требованиям без параллельных схем. Например полевые транзисторы IXYS IXA60IF1200NA, рассчитанные на 90 А и 1200 В, могут удовлетворить требования к высоким токам с помощью всего лишь одного элемента. В предложениях от разных производителей имеется множество таких «больших» MOSFET-транзисторов, которые изготавливаются в корпусах SOT-227.
