Параллельное включение полевых транзисторов

С ростом мощности силового оборудования повышаются требования к электронике управления высоковольтной и сильноточной нагрузкой. В мощных импульсных преобразователях, где элементы работают одновременно с высокими уровнями напряжений и токов, зачастую требуется параллельное соединение силовых ключей, таких, например, как IGBT транзисторы, хорошо работающие в подобных схемах.

Существует множество нюансов, которые необходимо учитывать при параллельном включении двух и более IGBT. Один из них – соединение затворов транзисторов. Затворы параллельных IGBT могут подключаться к драйверу через общий резистор, отдельные резисторы или комбинацию общего и отдельных сопротивлений (Рисунок 1). Большинство специалистов сходится во мнении, что обязательно нужно использовать отдельные резисторы. Однако существуют веские доводы в пользу схемы с общим резистором.

а) Индивидуальные резисторы
б) Общий резистор
в) Комбинированное включение резисторов
Рисунок 1.	Различные конфигурации схем управления затворами IGBT.

В первую очередь при расчете схемы с параллельными IGBT нужно определить максимальный ток управления транзисторами. Если выбранный драйвер не может обеспечить суммарный базовый ток нескольких IGBT, придется ставить отдельный драйвер на каждый транзистор. В этом случае индивидуальный резистор будет у каждого IGBT. Быстродействия большинства драйверов достаточно, чтобы обеспечить интервал между импульсами включения и выключения в несколько десятков наносекунд. Это время вполне соразмерно с временем переключения IGBT, составляющим сотни наносекунд.

При использовании одного драйвера предметом обсуждения может быть конфигурация резисторов в цепях затворов. Недостатком схемы с отдельными резисторами (Рисунок 1а) является возможность увеличения разброса времени переключения вследствие того, что управляющие напряжения затворов не будут отслеживать выходные сигналы драйвера. Даже если импульсы управления, подающиеся на резисторы с драйвера, будут абсолютно идентичны, различия в зарядах затворов в совокупности с сопротивлениями затворов и импеденсами проводников печатной платы приведут к несовпадению времен нарастания, спада и задержки сигналов на затворах IGBT. Тем не менее, многие выступают в защиту индивидуальных резисторов, поскольку последние минимизируют вероятность возникновения паразитной генерации между IGBT.

Причиной генерации может стать паразитная индуктивность платы (обычно в цепи эмиттера) в сочетании с емкостью затвора и усилением транзисторов. Минимизация индуктивности в цепи эмиттера играет важную роль в предотвращении паразитной генерации.

Общий резистор (Рисунок 1б) гарантирует, что потенциалы затворов обоих IGBT в любой момент времени будет практически одинаковыми, имея лишь незначительный разброс, обусловленный вариациями паразитных импедансов платы. При переходных процессах это может уменьшить различие в уровнях потерь и способствовать более равномерному распределению тока между транзисторами. С точки зрения режима по постоянному току не имеет значения, используются ли отдельные резисторы или один общий, поскольку, в конечном счете, затворы всех IGBT заряжаются до напряжения смещения. Аргументы в пользу общего резистора можно найти и в других источниках, но приводимые там рекомендации нельзя использовать как общие указания в случае с отдельными резисторами в цепях затворов.

Для тестирования различных конфигураций резисторов из 22 выпускаемых ON Semiconductor IGBT типа NGTB40N60IHL были выбраны два транзистора с наибольшим взаимным разбросом параметров. Их потери при включении составляли 1.65 мДж и 1.85 мДж, а потери при выключении 0.366 мДж и 0.390 мДж, соответственно. Транзисторы рассчитаны на рабочее напряжение 600 В и ток 40 А.

При использовании одного общего драйвера с отдельными 22-омными резисторами, наблюдалось ярко выраженное несовпадение кривых тока в момент выключения из-за несоответствия скоростей переключения, неравенства порогов, крутизны и зарядов затворов двух приборов. Замена двух резисторов одним общим с сопротивлением 11 Ом в любой момент времени уравнивает потенциалы на затворах обоих IGBT. В такой конфигурации существенно уменьшается перекос токов в момент выключения. С точки зрения рассогласования по постоянному току конфигурация резисторов значения не имеет.

Поскольку до разработки и сборки реального прототипа определить, возникнет ли между приборами паразитная генерация, невозможно, рекомендуется использовать комбинированную схему включения резисторов в цепях затворов (Рисунок 1в).

Комбинированная схема обеспечивает гибкость подбора сопротивлений резисторов, основанную на учете паразитных импедансов реальной схемы. Если в схеме с общим резистором наблюдается генерация, активную часть полного сопротивления цепи затвора можно разделить на отдельный и общий компонент. Для получения оптимальных характеристик сопротивления индивидуальных резисторов должны, насколько возможно, превышать значение сопротивления затвора, но оставаться в пределах, при которых исключается риск возникновения генерации. Эта схема легко может быть приведена в соответствие с конкретными условиями эксплуатации и использоваться в качестве самостоятельного функционального блока. Таким способом можно обеспечить максимальную близость потенциалов на затворах IGBT в моменты переключения, но с учетом опасности возникновения генерации лучше добавить небольшие индивидуальные сопротивления.

Оптимизация параметров мощных схем с параллельным включением силовых ключей позволяет повысить надежность устройства и улучшить его рабочие характеристики. Рассмотренные в статье схемы управления затворами IGBT – один из факторов повышения эффективности мощных коммутационных узлов преобразовательной техники.

Перевод: Антон Юрьев по заказу РадиоЛоцман

Одним из наиболее распространенных требований при доработке источ­ников питания является увеличение выходного тока или мощности. Часто это может быть связано со стоимостью и трудностями при проектирова­нии и изготовлении нового источника. Рассмотрим несколько способов увеличения выходной мощности существующих источников.

Первое, что вообще приходит на ум, — параллельное включение мощных транзисторов. В линейном стабилизаторе это относилось бы к проходным транзисторам или, в некоторых случаях, к параллельным стабилизирующим транзисторам. В таких источниках простое соедине­ние одноименных выводов транзисторов обычно не дает практических результатов из-за неравномерного распределения тока между транзисто­рами. При повышении рабочей температуры неравномерное распределе­ние нагрузки становится еще большим до тех пор, пока практически весь ток нафузки не потечет через один из транзисторов. Предложен­ный вариант может быть реализован при условии, что параллельно со­единенные транзисторы имеют совершенно идентичные характеристики и работают при одинаковой температуре. Такое условие практически не реализуемо из-за относительно больших разбросов в характеристиках биполярных транзисторов.

С другой стороны, если в линейном стабилизаторе используются мощные МОП-транзисторы, простое их запараллеливание работать бу­дет, потому что эти устройства имеют температурные коэффициенты другого знака по сравнению с мощными биполярными транзисторами и не будут подвергаться сильному нафеву или перераспределению тока. Но МОП-транзисторы использовались чаще в ИИП, чем в линейных стабилизаторах (наше рассмотрение этих не импульсных стабилизаторов дает некоторое понимание проблем параллельного включения транзис­торов и в импульсных стабилизаторах).

Рис. 17.24 показывает, как осуществлять параллельное включение транзисторов в линейном или импульсном источнике питания. Резисто­ры с небольшим сопротивлением, включенные в цепи эмиттеров бипо­лярных транзисторов, обеспечивают индивидуальное смещение между базой и эмиттером, что препятствует возможности увеличения доли тока, протекающего через какой-либо из транзисторов. Хотя примене­ние этих так называемых балластных эмиттерных резисторов очень эффективно при опасном перераспределении токов или повышении тем­пературы, следует использовать самое минимальное сопротивление ре­зисторов, которое достаточно для этой цели. В противном случае будет рассеиваться заметная мощность, что особенно нежелательно в импуль­сных стабилизаторах, где основным достоинством является высокий к.п.д. Не удивительно поэтому, что балластные эмиттерные резисторы имеют сопротивления порядка 0,1 Ома, 0,05 Ома или меньше, а факти­ческая величина будет, конечно, зависеть прежде всего от тока эмиттера конкретного источника. В качестве оценки можно принять величину 1//, где / – максимальный ток эмиттер (или коллектора).

Вместо эмиттерных резисторов, иногда можно выравнить распреде­ление тока в параллельно соединенных биполярных транзисторах, включая несколько более высокоомные резисторы в цепь базы. Они обычно имеют сопротивление от 1 до 10 Ом. Хотя полное рассеяние мощности в этом случае меньше, но эффективность ниже, чем при ис­пользовании эмиттерных резисторов.

Рис. 17.24. Способ параллельного включения мощных биполярных транзисторов. Любая попытка отдельного транзистора пропускать больший ток или перегреться предотвращается благодаря напряжению смещения на его эмиттерном резисторе.

В импульсном стабилизаторе недостаточно просто позаботиться о распределении тока в описанных статических условиях; во внимание не­обходимо также принять динамику процесса переключения. Это требует большего внимания к согласованности транзисторных характеристик. Практически обнаружено, что два мощных транзистора одного и того же типа и названия могут вести себя при переключении по-разному, один из них может быть несколько медленнее, чем другой. Хотя опасность такого расхождения можно свести на нет введением балластных эмит­терных резисторов, их сопротивления, возможно, придется выбирать до­статочно высокими по сравнению со случаем, когда характеристики транзисторов близки. Однако даже если динамические характеристики отдельных транзисторов в параллельном соединении достаточно близки.

влияние неравной длины проводников или неидентичная разводка могут вызывать существенные различия в рассеиваемой мощности.

Чаще всего оказывается, что можно удвоить выходную мощность, соединив параллельно два биполярных транзистора и, скорее всего, не потребуется модернизировать задающий каскад. Однако в других случа­ях, вероятно, будет необходим больший ток от задающего устройства. Таким образом, при трех, четырех или большем числе выходных транзи­сторов в задающем каскаде также потребуется параллельное соединение транзисторов. Иногда оказывается, что в задающем устройстве целесо­образнее применить транзистор с большей номинальной мощностью.

Мощные МОП-транзисторы можно включать параллельно без балласт­ных резисторов. Часто четыре или больше таких транзисторов могут рабо­тать от задающего каскада, который работал с одним транзистором. Однако метод, показанный на рис. 17.25, рекомендуется для предупреждения пара­зитных колебаний в диапазоне метровых и дециметровых волн. С феррито-выми бусинками может потребоваться некоторое экспериментирование. Ча­сто эффективное затухание обеспечивается введением двух или трех витков провода. Другой метод предлагает использовать небольшие пленочные рези-стсфы с сопротивлением от 100 до 1000 Ом в цепи затвора. Стабилитроны, показанные на рис. 17.25, включены в структуры специально разработанных МОП-транзисторов. Другие МОП-транзисторы не имеют такой защиты зат­вора, но метод параллельного включения остается тем же самым.

Рис. 17.25. Способ параллельного включения мощных МОП-тран­зисторов. Это простой путь увеличить нагрузочную способность по току как импульсных, так и линейных стабилизаторов. Ферритовая бусинка в цепи затвора подавляет высокочастотную паразитную гене­рацию. Стабилитроны находятся внутри транзисторов. Siliconix.

Мощный импульсный каскад на МОП-транзисторе может применяться также в последовательной схеме, чтобы обеспечить более высокое напря­жение на выходе. Схема такого устройства изображена на рис. 17.26 для двух транзисторов, но их количество может быть и больше. Интересной чертой этого метода является то, что входной сигнал подается только на один МОП-транзистор. Происходит это потому, что на затворе другого

МОП-траНзистора имеется напряжение +15 В относительно земли; этот МОП-транзистор готов проводить, как только цепь его истока оказывается замкнутой запускаемым МОП-транзистором. Такая конструкция позволяет удвоить мощность, подводимую к нагрузке по сравнению с той которую можно получить от одного МОП-Транзистора; в то же самое время каждый МОП-транзистор работает в пределах номинального напряжения между стоком и истоком. /?С-цепь в цепи затвора верхнего МОП-транзистора осу­ществляет динамическую балансировку напряжений на затворах двух МОП-транзисторов. В первом приближении RC должно равняться В2С2,

Рис. 17.26. Последовательное соединение мощных МОП-транзисторов для удвоенного рабочего напряжения. Этот метод можно распрост­ранить на большее число мощных МОП-транзисторов. Обратите вни­мание, что сигнал запуска поступает только на один затвор. Хотя пока­занный специализированный мощный МОП-транзистор имеет внутренний стабилитрон, большинство других его не имеют. Siliconex.

Поскольку появились мощные высоковольтные МОП-транзисторы, последовательная конфигурация не используется как раньше, когда эти транзисторы только стали конкурентоспособными с биполярными тран­зисторами. Кроме того, свойственная им легкость работы в параллель­ном режиме исключает трудности при расчете схем. Параллельная кон­фигурация проще в реализации, потому что легче обеспечить одинаковые температурные условия, которые требуется в обеих схемах для опти­мальной работы. Последовательный вариант может быть выбран в сис­темах, где постоянное рабочее напряжение превышает номинальное значение для одного МОП-транзистора.

Мало того, что некоторые мощные МОП-транзисторы содержат во входной цепи эквивалент стабилитрона для защиты затвора, изготовите­ли этих устройств могут включить в выходную цепь «фиксирующий» диод. По этой причине во многих ИИП и схемах управления двигателя­ми, использующих мощные МОП-транзисторы не включают обычный фиксирующий диод, который используется в схеме с биполярным тран­зистором. Это можно отнести к дополнительным достоинствам, так как уменьшается число используемых компонент и снижается стоимость. Когда для увеличения допустимой мощности применяется параллельное соединение, это может быть особенно существенно, потому что не тре­буется рассчитанного на большие токи, дорогого «внешнего» диода. Однако следует изучить технические условия изготовителя, чтобы уста­новить, подходит ли для конкретного применения используемое устрой­ство. В некоторых случаях может понадобиться внешний диод Шотки или диод с малым временем восстановления, чтобы обеспечить очень высокую скорость переключения индуктивных нагрузок.

Способ повышения выходной мощности с использованием комплемен­тарных транзисторов уже упоминался на примере биполярных транзисто­ров (рис. 2.8 и 2.12). До недавнего времени простые схемы и хорошие ха­рактеристики этого метода были доступны только при использовании биполярных мощных транзисторов, где имелись согласованные пары прп и рпр транзисторов. Однако теперь несколько изготовителей разместили на рынке /^-канальные МОП-транзисторы, имеющие характеристики, зеркаль­ные по отношению к л-канальным, поэтому можно создавать схемы на мощных комплементарных МОП-транзисторах. Хотя схемы на биполяр­ных транзисторах, изображенные на рис. 2.8 и рис. 2.12, являются генера­торами с насыщаемым сердечником, стоит отметить, что лишь небольшие изменения необходимы в схеме и режиме работы, чтобы получить инвер­торы или преобразователи с внешним возбуждением. Кроме того, исполь­зуя цепи обратной связи и управления, подобные тем, что применялись в других стабилизаторах, можно реализовать стабилизированные источники.

В настоящее время имеется несколько полупроводниковых фирм, та­ких как International Rectifier, Intersil, Supertex и Westinghouse, которые производят мощные МОП-транзисторы, подходящие для применения в комплементарных схемах. Препятствия, которые задержали появление кремниевых рпр мощных транзисторов, не столь серьезны при производ­стве /^-канальных МОП-транзисторов. Поэтому можно ожидать, что дру­гие компании скоро будут торговать устройствами, содержащими пару комплементарных МОП-транзисторов для импульсных применений.

Еще одна схема, в которой складываются мощности, показана на рис. 17.27. Здесь выходы идентичных выходных каскадов соединены последова­тельно, что позволяет эффективно объединять возможности транзисторов без применения балластных резисторов. Это прекрасный способ обойтись без мощных транзисторов, работающих с более высокими напряжениями или номинальными токами, – такие устройства могут быть или недоступ­ны или очень дороги. Это устройство лучше рассмотреть на начальном этапе конструирования инвертора или стабилизированного источника, тогда будет легко определить входные и выходные обмотки трансформа­торов. Фазирование вторичных обмоток выходных трансформаторов дол­жно быть таким, чтобы выходные напряжения складывались. Относитель­но легко получить равный вклад токов от мощных транзисторов и хорошо, если все транзисторы работают при одной и той же температуре. Обычно это достигается путем применения общего радиатора. В этом от­ношении схема с общим коллектором, а не показанная на рисунке схема с общим эмиттером, более предпочтительна, поскольку не требуется ни­какой изоляции между корпусом транзистора и радиатором.

Рис. 17.27. Схема удвоения выходной мощности инвертора или им­пульсного стабилизатора. Этот метод не требует дорогих или недо­ступных высоковольтных или предназначенных для работы при больших токах транзисторов. В отличие от схем с параллельным включением транзисторов здесь не требуются балластные резисторы, рассеивающие мощность.

К недостаткам этого метода можно отнести высокую стоимость, а также увеличенные габариты и вес. Это справедливо потому, что два трансформатора дороже, чем один, имеющий вдвое большую номиналь­ную мощность. Габариты двух трансформаторов будут, как правило, превышать размеры одного трансформатора той же мощности. Суще­ственны или нет эти факторы зависит, конечно, от конкретных обстоя­тельств, связанных с особенностями системы.

Хотя на рис. 17.27 показаны два выходных каскада, объединять можно и большее число каскадов. Но основную идею, предлагаемую здесь, не сле­дует путать с вариантом, показанным на рис. 2.10, где используется один выходной трансформатор, а пары выходных транзисторов соединены пос­ледовательно по отношению к источнику постоянного напряжения. Схема на рис. 17.27 предпочтительнее для инверторов с внешним возбуждением и ИИП, а схема на рис. 2-10 лучше подходит для реализации инвертора с на­сыщаемым сердечником. В схеме, приведенной на рис. 17.27, можно ис­пользовать один сердечник для всех входных трансформаторов и один для выходных. Конечно, это так, однако использование отдельных трансфор­маторов, как показано на рисунке, представляется наиболее разумным для испытаний, оценки возможностей, измерения и эксплуатации.

Примером гибкости схемы на рис. 17.27 является возможность исполь­зовать в качестве одной из пар мощные /?/7/?-транзисторы. Хотя это не при­водит к схеме с комплементарными транзисторами в обычном смысле, но в некоторых случаях оказывается проще получить требуемую суммарную мощность. По переменному току функционирование схемы не изменилось.

Интересный способ удвоить выходной ток и, поэтому, выходную мощность одно-транзисторного импульсного стабилизатора, показан на рис. 17.28. Сигнал на дополнительный переключающий транзистор Q2 поступает со сдвигом на 180** по отношению к сигналу, поступающему на основной транзистор Q. Этот сдвиг фазы осуществляется с помо­щью трансформатора 71. Хотя отношение числа витков первичной и вторичной обмоток можно взять равным 1, низкие входные сопротив­ления транзисторов обычно требуют для получения оптимальных ре­зультатов использовать понижающий трансформатор. В этом случае вторичная обмотка с отводом от середины обеспечит более низкое на­пряжение на базе каждого транзистора, чем имеющееся на первичной обмотке. (Это, кроме того, снижает вероятность обратного пробоя эмиттерных переходов транзисторов. Полезным может оказаться вклю­чение в цепь базы (на рисунке не показано) резистора с малым сопро­тивлением.)

Потребуется также катушка индуктивности L2 аналогичная катуш­ке L, Дополнительный «фиксирующий» диод D2 идентичен диоду D. Удвоение выходного тока стабилизатора не единственное, что дает до­полнительный переключающий транзистор. В этой схеме удваивается частота пульсаций и вдвое уменьшается их амплитуда. Таким образом, с прежней емкостью выходного конденсатора С1 на выходе стабилиза­тора имеем более чистое постоянное напряжение. Другой вариант со­стоит в том, чтобы сохранить характеристики одно-транзисторной схе­мы, уменьшая емкость конденсатора С1. Этот вариант позволяет несколько сократить габариты и стоимость. Если следовать этой мето­дике на начальной стадии проектирования, то можно выбрать менее дорогие переключающие транзисторы, потому что каждый должен бу­дет переключаться с частотой, равной половине частоты пульсаций на выходе.

Рис. 17.28. Метод удвоения выходного тока импульсного стабили­затора. Этот метод обеспечивает не только увеличение выходной мощ­ности, но и уменьшает пульсации выходного напряжения. (А) Упро­щенная схема обычного импульсного стабилизатора. (В) Моди­фицированная схема для удвоения выходного тока.

Чтобы воспользоваться достоинствами этой схемы, нестабилизиро­ванный источник постоянного напряжения должен, конечно, обеспечи­вать ток, вдвое больший требуемого для одно-транзисторного стабили­затора. Схемы на рис. 17.28 А и В представляют собой стабилизаторы с внешним возбуждающим сигналом, имеющим фиксированную частоту. Если применять этот метод в автоколебательном стабилизаторе, то мо­гут встретиться некоторые трудности и, естественно, потребуется экспе­риментальная доводка. Связано это с тем, что частота пульсаций, ис­пользуемых в цепи обратной связи, вдвое выше частоты переключений.

Тема раздела Курилка в категории Закуток; Доброго дня! Подскажите, плз, мосфеты можно подключать параллельно? Один не справился с током, а более мощный – пока не хочу, .

Опции темы

mosfet-ы параллельно. можно или нет?

Подскажите, плз, мосфеты можно подключать параллельно?
Один не справился с током, а более мощный – пока не хочу, это на крайний вариант.

Схема – простое управление DC мотором, на MOSFET с МК приходит ШИМ. Можно ли этот ШИМ пустить сразу на 2-4 MOSFETa? Напрямую, без доп элементов.

Гугл дал довольно много разных мнений, единого нет, т.к. проекты у всех разные. А у меня просто ШИМ и просто моторчик

Можно. Они сами внутри уже на параллельных структурах. Но если что, выгорят все корпуса лавиной, одновременно. Ёмкости затворов понятное дело суммируются.

И необходимый для быстрого управления затворами ток – тоже должен быть увеличен, особенно если там ШИМ. В ключевом режиме можно ничего не менять в управляющей цепи.

Не подскажите, как этот ток рассчитать? Что-то не додумался пока что сам.
У меня Attiny13, одним мосфетом управляла без нареканий. Вытянет она пару? Хочу IRLZ44 поставить

через заряд, Qg=66nC чтоб за 17нс включить, нужен ток 66/17=3.88А, а у тини максимум 20мА итого таким током 1 транзистор будет вкл 66/0.02=3.3мкс

Последний раз редактировалось Hight; 06.05.2015 в 21:30 .

Поэтому у вас один ключик и греется.. на фронтах..
Как вариант- поставить эммитерник двухтактный – помогает.

а вот интересно, в спровочне у тр-ра указан фиксированный фронт/спад, как я понимаю 230/110нс.

Спасибо большое за советы! Особенно за наводку на двухтактный биполярный драйвер – не знал о нем раньше, оч понравилась идея. А благодаря расчетам, стал лучше понимать процесс и проблему.

Сейчас получилась вот такая схема, не могли бы посмотреть, рабочая? Симулятор, ясное дело, всё отрабатывает как надо, но оно и в прошлый раз так было
Транзисторы 2SD1804 и 2SB1204: http://pdf.datasheetcatalog.com/data. _e/2SD1804.pdf

Последний раз редактировалось Zont; 07.05.2015 в 01:59 .

Для раскачки, я использую выходной каскад 555 таймера, у него как раз двухтактный выход.

Для нормальной работы IRFZ44 нужно 10 Вольт в затвор давать, а тинька больше 5 Вольт дать не может по определению.
Поэтому нужно ставить нормальный мосфет, что-то типа IRLB8748. У него наноКулонов c миллиОмами вчетверо меньше, соответственно и Джоулей он тоже меньше выделять будет. И для управления ему 4,5 Вольта достаточно.