Techniki bezpiecznego łączenia równoległego tranzystorów MOSFET w układach liniowych

Można powiedzieć, że w zastosowaniach związanych z zasilaczami impulsowymi charakterystyka MOSFET-ów mocy w pewnych okolicznościach działa na korzyść projektanta. Jest tak w stopniach konwersji mocy, gdy łączymy równolegle MOSFET-y jako przełączniki mocy. Nie można tego jednak powiedzieć o MOSFET-ach używanych do zabezpieczania obwodów i w obciążeniach elektronicznych. W pierwszej kategorii przykładami, w których MOSFET mocy działa w obszarze liniowym, są elektroniczne układy zabezpieczające i obwody typu hot-swap.

Równoległe połączenie MOSFET-ów: bezpieczny obszar działania i niestabilność termiczna

Równoległe łączenie tranzystorów mocy jest typową metodą zwiększania wydajności prądowej. W czasach, gdy jedynym wyborem były tranzystory bipolarne (BJT), projektanci nauczyli się, że jeśli tylko spełnione są odpowiednie warunki, mogą stosunkowo łatwo łączyć te elementy równolegle.

Ujemny współczynnik temperaturowy V_BE powoduje, że prąd kolektora rośnie wraz z temperaturą (tranzystor bipolarny jest modelowany jako źródło prądowe, gdzie MOSFET ma zmienną rezystancję). Tendencję tę można jednak kontrolować, ponieważ wysoka transkonduktancja tranzystora bipolarnego umożliwia odpowiednie ustawienie podziału prądu pomiędzy tranzystory z rezystorami balastowymi emitera. Należy przy tym pamiętać, że niestabilność termiczna całej grupy połączonych równolegle tranzystorów bipolarnych jest nadal możliwa, chyba że zapewniona jest kompensacja temperatury obwodu sterującego lub gdy tranzystory te znajdują się w pętli sterowania prądem.

Wraz z pojawieniem się tranzystorów MOSFET sytuacja się zmieniła. Dodatni współczynnik temperaturowy RDS( ON) tranzystora MOSFET, jak pokazano na rys. 1, oznacza, że pojedynczy układ będzie miał tendencję do ograniczania własnego prądu drenu. Wymaga to jednak, aby tranzystory MOSFET miały układ sterowania bramką, który zapewni uzyskanie pełnego wzmocnienia. W konsekwencji tranzystory będą działały w obszarze czysto rezystancyjnym, jak ma to miejsce w układzie przełączającym. Niestety, nie jest to możliwe, gdy tranzystory MOSFET działają w swoim obszarze triodowym lub liniowym, tak jak w układzie liniowym.

 

Rys. 1. Charakterystyka R_DS(ON) tranzystora MOSFET wykazująca dodatni współczynnik temperaturowy

Jest to więc jeden z problemów, na który natrafiamy przy równoległym łączeniu tranzystorów MOSFET mocy w obwodach liniowych. Druga trudność wynika ze współczynnika temperaturowego V_GS (rys. 2). Większość tranzystorów MOSFET wykazuje obszar ujemnego współczynnika temperaturowego prądu drenu w funkcji napięcia bramki, jak pokazano zieloną strzałką na rys. 2. Obszar ten występuje jednak tylko przy poziomach prądu zbyt wysokich, aby były użyteczne. Duża część krzywej wykazuje dodatni współczynnik temperaturowy prądu drenu zaznaczony czerwoną strzałką. Niemożliwe jest przez to uzyskanie prawidłowego podziału prądu, co może skutkować niekontrolowanym wzrostem temperatury jednego lub kilku równoległych tranzystorów MOSFET.

 

Rys. 2. Charakterystyka temperaturowa napięcia V_GS tranzystora MOSFET

Obwody liniowe, w których można łączyć równolegle tranzystory MOSFET mocy, można podzielić na trzy podstawowe kategorie:

1. Proste równoległe konfiguracje MOSFET-ów, jednak odradzane do zastosowań praktycznych.
2. Bezpieczniki elektroniczne (eFuse), lub przełączające obwody ochronne, stanowiące wprawdzie bardzo zaawansowane rozwiązania, ale mogące włączać ograniczanie prądu i przechodzić w tryby ochronne, które wymagają liniowego działania jednego lub kilku równoległych tranzystorów MOSFET.
3. Obciążenia elektroniczne i liniowe wzmacniacze mocy, w których tranzystory MOSFET są zawsze w obszarze liniowym.

Ogólnie zaleca się dodanie szeregowych rezystorów bramkowych (o typowych wartościach od 10 do 100 Ω), aby zapobiec pasożytniczym oscylacjom w tranzystorach MOSFET.

Układy eFuse i klucze ograniczające prąd

Elementy określane jako eFuse pełnią niemal identyczną funkcję jak układy typu hot-swap. Oba typy pracują zarówno impulsowo, jak i liniowo. Można je całkowicie wyłączyć, rozszerzyć zakres działania, a w razie potrzeby włączyć liniowy tryb ochronny. Należy zauważyć, że istnieją aplikacje bezpieczników elektronicznych (eFuse) mające jedynie tryby całkowitego wyłączenia lub całkowitego włączenia (przełączania), a takie aplikacje umożliwiające niezawodną implementację równoległych tranzystorów MOSFET.

Układy eFuse i hot-swap zazwyczaj wykrywają prąd i zapewniają zabezpieczenie pętli sterowania bramką tranzystora MOSFET. Wiele sterowników ma pojedynczy czujnik prądu układ sterowania jedną bramką. W takim przypadku możliwe jest równoległe łączenie tranzystorów MOSFET, należy tylko wziąć pod uwagę fakt, że gdy pętla steruje prądem, obniża napięcie bramki do wartości ograniczenia prądu. Jeśli więc którykolwiek z tranzystorów próbuje "przejąć" prąd, pętla w zasadzie steruje tylko tranzystorem o najwyższym prądzie, a towarzyszące MOSFET-y mogą przewodzić niewielki prąd lub nie przewodzić go wcale.

Sytuacja ta sama w sobie nie jest szkodliwa ani destrukcyjna, wymaga jednak od projektanta traktowania pary MOSFET-ów tak, jakby miały SOA (obszar pracy bezpiecznej) pojedynczego MOSFET-u. Z reguły za każdym razem, gdy pojedyncza linia sterująca bramką (a dokładniej pojedyncza pętla sterowania prądem) zasila więcej niż jeden tranzystor, należy przyjmować ograniczenie do SOA pojedynczego MOSFET-u (jakkolwiek mamy korzyść w postaci niższego R_DS(ON), gdy tranzystory MOSFET są całkowicie włączone).

Ulepszenia oferują niektóre niedawno opracowane sterowniki, które zapewniają oddzielny pomiar prądu i sterowanie bramką dla każdego MOSFET-u. Maksymalizuje to wydajność tych tranzystorów, ponieważ dostępny jest pełny obszar SOA z pary (lub dowolnej liczby urządzeń, dla których sterownik ma przypisane kanały).

Przykładem takiego sterownika jest LTC4282 pokazany na rysunku 3. Jak się okazuje, koncepcje przyjęte w tym układzie mają zastosowanie do równoległego łączenia tranzystorów MOSFET w dowolnym obwodzie liniowym, zapewniając pełne wykorzystanie SOA wielu tranzystorów MOSFET. Pomysł polega na tym, że trzeba połączyć równolegle obwody sterujące, a nie tylko tranzystory MOSFET.

 

Rys. 3. Przykład układu hot-swap przeznaczonego do sterowania równoległymi MOSFET-ami z wykorzystaniem pełnego SOA każdego tranzystora

Projektowanie obwodów liniowych z równolegle połączonymi MOSFET-ami

Przez wiele lat obciążenia elektroniczne (jak na przykład wyroby firm Chroma Systems Solutions i Kikusui) wskazywały kierunek na niezawodne tranzystory MOSFET łączone równolegle. Podstawowy element obciążenia elektronicznego składa się ze wzmacniacza operacyjnego i źródła prądowego z tranzystorem MOSFET (rys. 4). Obsługa tego znanego i prostego układu jest bardzo intuicyjna. VIN to napięcie służące do zaprogramowania żądanego prądu. Prąd ten jest określony zależnością między napięciem V_IN i rezystancją rezystora bocznikowego R_SHUNT:

Powyższa zależność ma zastosowanie do układów przedstawionych na rysunkach 3 i 4.

 

Rys. 4. Uproszczony schemat kanału obciążenia elektronicznego

W dostępnych na rynku obciążeniach elektronicznych stosowane są banki równoległych źródeł prądowych, zapewniających uzyskiwanie wysokich prądów, mocy i wykorzystania możliwości SOA. Podstawowy obwód jest źródłem prądowym, natomiast skrzynki obciążeniowe mogą mieć globalne pętle sterujące zapewniające uzyskiwanie stałego prądu, stałego napięcia, rezystancji, a nawet reaktancji. Jednak w tej dyskusji istotne jest to, że te skrzynki obciążeniowe niezawodnie łączą dużą liczbę równoległych obwodów MOSFET, a nie tylko pojedynczych tranzystorów MOSFET.

W przeszłości dostępne były liniowe wzmacniacze mocy, które działały z równoległymi tranzystorami MOSFET zawierającymi jedynie rezystory "balastowe" w obwodach źródeł. Aby jednak zapewnić najwyższą możliwą niezawodność, nawet wzmacniacz mocy powinien zawierać obwód sterowania prądem działający w zamkniętej pętli. W takiej konfiguracji daje się uzyskiwać szerokość pasma sięgającą setek kiloherców, natomiast zaprojektowanie urządzeń na szersze pasmo i zapewnienie prawidłowej ich kompensacji może być trudne.

W przypadku liniowego wzmacniacza mocy lub dwukierunkowego obciążenia elektronicznego, topologię, w której wyjście z pływającym obciążeniem jest wyprowadzone z drenu tranzystora MOSFET, można łatwo skonfigurować jako obwód wyjściowy w konfiguracji źródła prądowego, jak to pokazano na rys. 5. Wyjściowe źródło napięciowe jest uzyskiwane poprzez wprowadzenie dodatkowego wzmacniacza na wejściu z globalnym sprzężeniem zwrotnym pobieranym z obciążenia. Lokalne obwody MOSFET zapewniają odpowiednią polaryzację spoczynkową niezależnie od temperatury. Wydajność układu sterowania prądem poprawia się w przypadku zastosowania rezystorów źródłowych o wyższej rezystancji, a niski offset wzmacniacza operacyjnego zapewnia dokładniejszą polaryzację spoczynkową.

 

Rys. 5. Topologia wzmacniacza mocy z liniowym napięciem wyjściowym wykorzystująca pętle sterowania prądem dla każdego MOSFET-a, z pętlą globalnego napięciowego sprzężenia zwrotnego

Należy zauważyć, że w konfiguracji, w której jest stosowana globalna pętla sprzężenia zwrotnego, istotne jest wzmocnienie napięciowe tranzystorów MOSFET, szerokość pasma i przesunięcie fazowe. Zaletą tej konfiguracji jest to, że wzmacniacze operacyjne mogą działać z typowymi dla nich napięciami zasilającymi (np. ±15 V) z użyciem wydzielonych zasilaczy, podczas gdy stopień wyjściowy jest w stanie zapewnić wzmocnienie napięcia z wyższymi napięciami wyjściowymi ograniczonymi jedynie napięciem znamionowych tranzystorów MOSFET i napięciami zasilającymi stosowanymi w stopniu wyjściowym.

Równoległe łączenie tranzystorów MOSFET w oparciu o obwód z rysunku 5 zostało pokazane na rysunku 6. Należy zwrócić uwagę na proste połączenie wejść i wyjść poszczególnych źródeł prądowych.

 

Rys. 6. Liniowy wzmacniacz mocy z indywidualnie sterowanymi równoległymi tranzystorami MOSFET

Opcja mikroukładu hybrydowego

Sterownik może być wykonany w wersji klasycznej, składającej się z elementów dyskretnych zmontowanych na PCB, ale dostępne są również sterowniki hybrydowe. Przykładem jest układ Apex PA05, którego budowę wewnętrzną przedstawiono na rysunku 7. Technologia ta jest z powodzeniem stosowana od początku lat 90. XX wieku. Jednym z producentów jest firma Apex Microtechnology. Jej hybrydowe wzmacniacze liniowe dużej mocy odznaczają się dużą wytrzymałością i niezawodnością.

 

Rys. 7. Wzmacniacz operacyjny Apex PA05 z widoczną matrycą małosygnałowych tranzystorów bipolarnych przymocowaną na górze wewnętrznych tranzystorów MOSFET w celu realizacji ograniczenia termicznego

Podsumowanie

Próba bezpośredniego połączenia równoległego dyskretnych tranzystorów MOSFET, nawet z uwzględnieniem źródłowych rezystorów balastowych, w najlepszym razie umożliwia uzyskanie wątpliwej niezawodności długoterminowej. Przy takim podejściu zapewnienie niezawodności w przypadku ekstremalnych napięć zasilania, temperatur pracy i warunków obciążenia jest bardzo trudne. Istnieje wprawdzie sprawdzone w produkcji rozwiązanie sąsiadującej matrycy, w którym uzyskuje się niemal idealne dopasowanie tranzystorów MOSFET, ale jest ono trudne i kosztowne w realizacji.

Na szczęście nowoczesne wzmacniacze operacyjne są małe, ekonomiczne i oferują wydajność, która ułatwia projektowanie układu umożliwiającego bezpieczne równoległe łączenie tranzystorów MOSFET. Układy scalone, takie jak sterowniki hot swap, układy eFuse i skrzynki obciążeniowe potwierdzają zasadność stosowania równoległych tranzystorów MOSFET.

Zanim zostanie podjęta decyzja o stosowaniu tranzystorów równoległych warto jednak poszukać możliwie największego MOSFET-a, ponieważ może on spełnić żądane wymagania bez ukłądów równoległych. Tranzystory MOSFET, takie jak IXYS IXA60IF1200NA, o parametrach znamionowych 88 A i 1200 V, mogą spełnić wysokie wymagania prądowe z zastosowaniem tylko jednego elementu. W ofertach można znaleźć wiele takich "dużych" tranzystorów MOSFET, które są produkowane w obudowach SOT-227 (rys. 8).

 

Rys. 8.

Jarosław Doliński