Параллельное соединение транзисторов полевых: Параллельное включение полевых транзисторов — Морской флот

Параллельное включение полевых транзисторов — Морской флот

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.

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 парал

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3.

Кроме транзисторов и сборок Дарлингтона есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые МОП транзисторы.
Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением.

МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.

Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:

• На более мелких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
  
• применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.
  

  Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных. Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

• Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I _Drain или I_D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это V_GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I_D от V_DS при разных значениях V_GS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I²R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t_on,t_off, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C_iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков.

Составные транзисторы. Схемы включения. | HomeElectronics

Транзисторы как силовые элементы многих радиоэлектронных устройств для нормальной работы должны выполнять следующие функции:

1. Обеспечивать управление заданным током нагрузки при большом усилении по мощности.

2. Обладать достаточной (с учётом заданной выходной мощности и диапазонов изменения входного и выходного напряжений) рассеиваемой мощностью.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

3. Иметь максимально допустимое напряжение коллектор – эмиттер, позволяющее без опасности пробоя обеспечивать необходимое падение напряжение на переходе коллектор – эмиттер при возможных значениях входного и выходного напряжений.

В некоторых случаях имеющиеся в наличии транзисторы не позволяют выполнить одно или несколько вышеописанных условий, тогда прибегают к помощи так называемых составных транзисторов. Схем составных транзисторов существует великое множество, но основных схем существует всего три.

Тандемное включение транзисторов (схемы Дарлингтона и Шиклаи)

Довольно часто возникает ситуация, когда необходимого коэффициента усиления одного транзистора не хватает. В этом случае транзисторы соединяют тандемно (то есть выходной ток первого транзистора является входным током для второго). Существует две схемы такого включения: схема Дарлингтона и схема Шиклаи. Отличие заключается лишь в том, что в схеме Дарлингтона используются транзисторы одинакового типа проводимости, а в схеме Шиклаи – разного типа проводимости.

Схема Дарлингтона

Схема Шиклаи

Данные пары – это просто два каскада эмиттерного повторителя. Иногда данные составные схемы транзисторов называют «супер-β» пары, так как они функционируют как один транзистор с высоким коэффициентом усиления.

Общий коэффициент передачи тока будет равен:

h_21e(ОБЩ) = h_21e(VT1)*h_21e(VT2)

При использовании данных схем вполне возможна такая ситуация, когда нагрузка уменьшится до нуля (или некоторого минимального значения, близкого к нулю) или при повышении температуры базовый ток транзистора VT1 может стать равным нулю или даже переменить направление за счёт неуправляемого обратного тока коллектора. Во избежание запирания транзистора VT2 его режим следует стабилизировать с помощью резистора R1.

Величину сопротивления R1 можно определить по формуле:

R1 ≤ U_{E min}/I_CBO(VT1)

Параллельное включение транзисторов

Современные транзисторы позволяют реализовать электронные схемы расчитаные на широкие диапазоны изменений токов и напряжений, но в отдельных случаях для увеличения допустимой мощности рассеивания применяется параллельное включение транзисторов.

Схема параллельного включения транзисторов

Максимально допустимый ток протекающий через такой составной транзистор равен:

I_Kmax(общ) = I_Kmax(VT1) + I_Kmax(VT2)

При такой схеме включения транзисторов следует учитывать, что вследствие разброса параметров параллельно включённых транзисторов токи между ними распределяются неравномерно. Большая часть тока будет протекать через транзистор, имеющий больший коэффициент усиления. Рассеиваемые транзисторами мощности можно выровнять включением в их эмиттерные цепи дополнительных симметрирующих резисторов с небольшими сопротивлениями. Так как на практике трудно подбирать такие сопротивление для каждого транзистора, в практических схемах в эмиттеры всех транзисторов ставят резисторы одного сопротивления. Сопротивление симметрирующих резисторов R1 и R2 можно определить по формуле

R1 = R2 ≈ 0,5n/I_K,

где n – число параллельно соединенных транзисторов

I_K — ток проходящий через коллектор.

Такой способ связан с ухудшением усилительных свойств транзисторов, однако его достоинством является возможность получения мощного силового элемента при использовании относительно маломощных транзисторов.

Последовательное включение транзисторов

Во время работы силового транзистора на его переходе коллектор – эмиттер падает напряжение, представляющее собой разность входного и выходного напряжений. В отдельных случаях эта разность может превышать максимально допустимое напряжений коллектор – эмиттер транзистора, имеющегося в распоряжении. В этом случае необходимо использовать последовательное соединение нескольких транзисторов.

Схема последовательного включения транзисторов

Эквивалентный транзистор будет иметь следующие параметры:

U_CEmax(общ) = U_CEmax(VT1) + U_CEmax(VT2)

Для симметрирования напряжений, которые будут падать на переходе коллектор – эмиттер транзисторов вводят симметрирующие резисторы R1 и R2 сопротивление, которых можно определить по формуле

R1 = R2 < U_CEmax/2I_B,

где I_B – ток базы составного регулирующего транзистора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Устранение паразитных колебаний, возникающих при параллельном соединении полевых транзисторов MOSFET

Природа паразитных колебаний

Рис. 1. Паразитные колебания между силовыми транзисторами

Колебания возникают при скачке напряжения стока в момент переключения силовых транзисторов. Рис. 1 показывает колебания, возникающие у двух параллельно соединенных полевых транзисторов APT5024BLL (номинальные напряжение 500 В и ток 22 А). Каждый полевой транзистор в своем составе имеет резистор сопротивлением 10 Ом. Он располагается между затвором и драйвером управления затвором. Результаты эксперимента получены при напряжении сток-исток 333 В, токе 44 А и температуре среды 25 °С. Напряжение драйвера управления затвором составляло 15 В. В качестве драйвера использовалось устройство Micrel MIC4452 с симметричной разводкой контактов затвора. Как видно из рис. 1, на затворе возникают колебания достаточно высокой частоты. Диапазон частот колебаний лежит в пределах от 50 до 250 МГц. Такие высокочастотные колебания недопустимы, так как это может стать причиной скачков напряжения на затворе, излучения радиочастотных помех, высоких потерь на переключение, способных вывести из строя конечное изделие.

Добавление индуктивности типа Ferrite bead1

Данный тип индуктивности представляет собой ферритовый цилиндр с отверстием в оси для проводника. Находит широкое применение для подавления радиочастотных помех.

Добавление индуктивного элемента Ferrite bead с резистором на затворе силового транзистора (рис. 2) устранило паразитные колебания при минимизировании потерь на переключение. Фактически добавление индуктивности более эффективно, чем использование резистора на затворе, так как ее импеданс прямо пропорционален частоте. Ширина полосы пропускания сигнала, поступающего с драйвера управления затвором, около 2 МГц, тогда как частота, на которой возникают паразитные колебания, составляет 50–250 МГц. Поэтому импеданс индуктивного элемента по отношению к частоте шумовых колебаний в 25–125 раз выше, чем по отношению к сигналу с драйвера. Высокое сопротивление индуктивности достаточно эффективно блокирует помехи, вызванные протеканием тока от истока к затвору. Более надежно паразитные колебания могут быть устранены при использовании индуктивности достаточной величины и, наравне с этим, при проведении демпфирования резистором затвора.

Рис. 2. Индуктивный элемент Ferrite bead с резистором на затворе силового транзистора

Для подавления помех элементы Ferrite bead могут использоваться не только на параллельно установленных транзисторах. При этом будет достигаться тот же эффект: высокочастотные шумы на затворе будут блокироваться, устраняя любые попытки возникновения колебаний.

На рис. 3 показаны переходные процессы в момент выключения двух параллельно соединенных полевых транзисторов MOSFET — APT5024BLL. В эту серию были последовательно добавлены индуктивные элементы с резисторами сопротивлением 4,3 Ом на каждом затворе. Включение параллельно соединенных полевых транзисторов происходит с теми же колебаниями, что и выключение.

Рис. 3. Момент выключения двух APT5024BLL

На рис. 4 изображены осциллограммы при включении двух параллельных силовых транзисторов APT50M65LLL, на затворе каждого из которых размещен резистор сопротивлением 4,3 Ом. Характеристики этих же устройств изображены на рис. 5, но только уже с затворными резисторами сопротивлением 1 Ом и индуктивными элементами Ferrite bead маленькой величины на каждом затворе. Колебание устранено, но при этом пришлось смириться с 8-процентным увеличением энергии, затрачиваемой на включение, и незначительным увеличением задержки при включении.

Рис. 4. Момент включения двух APT50M65LLL с наличием затворных резисторов

Рис. 5. Момент включения двух APT50M65LLL с наличием резисторов и Ferrite bead на затворе

Рис. 6 показывает возникновение колебаний при выключении силовых транзисторов с одним сопротивлением на затворе без индуктивного элемента, а на рис. 7 (при добавлении индуктивности к затвору) генерация исчезает. Как и на рис. 4–5, здесь использовались резисторы сопротивлениями 4,3 Ом и 1 Ом в комбинации с индуктивностями Ferrite bead. В этот раз индуктивные элементы меньшего сопротивления привели к уменьшению энергии, затрачиваемой на выключение, несмотря на то, что задержка на выключение возросла. Заметим, что затворы на рис. 7 на грани генерации, поэтому для оптимального результата необходимо немного повысить сопротивление на затворе.

Рис. 6. Начало процесса включения транзисторов

Рис. 7. Окончание процесса включения транзисторов

Если для устранения колебаний использовались бы только резисторы (рис. 1 и 4), энергии, затрачиваемые на переключение транзисторов, были бы больше, чем при использовании индуктивностей Ferrite bead на каждом затворе.

Добавление индуктивных элементов — достаточно привлекательное решение. Они недороги, малы и просты при использовании. На сегодня доступен широкий ассортимент индуктивностей Ferrite bead с различными параметрами. Энергия, затрачиваемая на переключение, может быть оптимизирована экспериментальным путем различными комбинациями сопротивлений и индуктивностей. Некоторые индуктивности имеют достаточно гибкое сопротивление с монотонной частотной характеристикой. Если индуктивности достаточно большие и не имеют потерь, затворные резисторы могут не использоваться.

Альтернативные решения устранения паразитных колебаний

Контурные площадки

Может показаться лишним добавление индуктивности Ferrite bead к цепи управления затворами, решающей проблему паразитных колебаний. Лучшие решения, реализованные на практике, рекомендуют проводить уменьшение индуктивности драйвера управления затвором путем использования плотной компоновки схемы. Однако ключ с компоновкой драйвера управления затвором обладает недостаточной индуктивностью. Поэтому предпочтительным решением выглядит контурная площадка. Проблема возникает из-за ее большой площади и заключается в том, что контур выступает как антенна, которая принимает высокочастотные шумы. Длинный вывод драйвера управления затвором фактически устраняет колебания благодаря повышению паразитной индуктивности самого драйвера.

Применение стабилитронов

Установка стабилитронов между выводами затвора и истока эффективна при подавлении шумов, возникающих на низких частотах переключения, и при наличии длинного вывода драйвера управления затвором. Однако стабилитроны неэффективны при подавлении шумов на частоте в десятки мегагерц.

На рис. 8 показана частотная характеристика стабилитрона (номинальное напряжение 15 В, корпус DO-41). Выводы диода были обрезаны до длины 5 мм, необходимой для установки диода на поверхность печатной платы. На частоте вплоть до 250 МГц импеданс корпуса стабилитрона является чисто емкостным, на высших частотах преобладает индуктивное сопротивление корпуса, что позволяет диоду выступать в качестве катушки индуктивности. Так же, как и у обычных диодов, емкостное сопротивление стабилитрона уменьшается с повышением напряжения обратного смещения.

Рис. 8. Частотная характеристика стабилитрона

Наличие стабилитрона, приложенного к затвору, повышает зависимое от напряжения и частоты емкостное сопротивление колебательного RLC-контура, где могут возникнуть паразитные колебания. Добавленное сопротивление не играет никакой роли, так как емкостное сопротивление стабилитрона по сравнению с входным емкостным сопротивлением MOSFET полевого транзистора незначительно.

С тех пор как помещение стабилитрона между затвором и истоком перестало приносить значительные результаты (при подавлении высокочастотных шумов и паразитных колебаний), стало лучше обходиться без них. Однако они могут быть полезны для подавления низкочастотных шумов, таких, которые возникают, например, при управлении двигателем драйвером управления затворами с длинными выводами.

Заключение

Мощные MOSFET имеют много преимуществ. При правильном применении они улучшают всю конструкцию системы, которая часто содержит меньше компонентов, легче, компактнее и имеет лучшие характеристики, чем те, которые могут быть достигнуты на приборах другого типа.

Так же, как и все мощные полупроводниковые приборы, мощные MOSFET имеют свои собственные маленькие технические тонкости, которые необходимо соблюдать при использовании силовых транзисторов в процессе работы:

• Паразитные колебания между двумя параллельно установленными полевыми транзисторами недопустимы, так как значительно уменьшается надежность, эффективность устройства.
• Индуктивности Ferrite bead очень эффективны в устранении паразитных колебаний до тех пор, пока уменьшаются потери на переключения, так как они действуют как частотнозависимый затворный резистор.
• Установка стабилитрона между затвором и истоком не контролирует высокочастотные паразитные колебания.

Если эти тонкости правильно понять и соблюдать, потенциальные ловушки могут быть легко преодолены при минимальных затратах. Это повышает возможности устройства и его эффективность на высоких частотах.  

Литература

1. Jonathan Dodge. Eliminating parasitic oscillations between parallel MOSFETs. AN APT-0402 Rev A. № 8.

Параллельное соединение двух или более транзисторов

Параллельное соединение транзисторов — это процесс, в котором идентичные выводы двух или более транзисторов соединяются вместе в схему для увеличения допустимой мощности комбинированного набора параллельных транзисторов.

В этом посте мы узнаем, как безопасно подключить несколько транзисторов параллельно, это могут быть BJT или MOSFET-транзисторы, мы обсудим оба.

Зачем нужен параллельный транзистор

При создании силовых электронных схем правильная конфигурация силового выходного каскада становится очень важной.Это включает в себя создание силового каскада, который может обрабатывать большую мощность с наименьшими усилиями. Обычно это невозможно при использовании отдельных транзисторов, и требуется, чтобы многие из них были подключены параллельно.

Эти каскады в основном могут состоять из силовых устройств, таких как силовые BJT или MOSFET. Обычно одинарных BJT становится достаточно для получения умеренного выходного тока, однако, когда требуется более высокий выходной ток, возникает необходимость добавить большее количество этих устройств вместе. Поэтому возникает необходимость подключить эти устройства параллельно.Хотя использование одинарных BJT относительно проще, их параллельное соединение требует некоторого внимания из-за одного существенного недостатка, связанного с характеристиками транзисторов.

Что такое «тепловой разгон» в BJT

Согласно их спецификациям, транзисторы (BJT) должны работать в умеренно более холодных условиях, чтобы их рассеиваемая мощность не превышала максимальное указанное значение. И поэтому мы устанавливаем на них радиаторы, чтобы выдержать вышеуказанный критерий.

Кроме того, BJT имеют характеристику отрицательного температурного коэффициента, которая заставляет их увеличивать скорость проводимости пропорционально увеличению температуры корпуса.

Поскольку температура корпуса имеет тенденцию к увеличению, ток через транзистор также увеличивается, что приводит к дальнейшему нагреву устройства.

Процесс превращается в своего рода цепную реакцию, быстро нагревая устройство до тех пор, пока оно не станет слишком горячим, чтобы поддерживать его работу, и не повредит. В транзисторах такая ситуация называется тепловым разгоном.

Когда два или более транзистора соединены параллельно, из-за их немного разных индивидуальных характеристик (hFE) транзисторы в группе могут рассеиваться с разной скоростью, некоторые немного быстрее, другие немного медленнее.

Следовательно, транзистор, который может пропускать через него немного больший ток, может начать нагреваться быстрее, чем соседние устройства, и вскоре мы можем обнаружить, что устройство, входящее в ситуацию теплового разгона, повреждает себя и впоследствии передает явление на остальные устройства. а также в процессе.

Ситуация может быть эффективно решена путем добавления резистора небольшого номинала последовательно с эмиттером каждого транзистора, подключенного параллельно.Резистор подавляет и контролирует величину тока, проходящего через транзисторы, и никогда не позволяет ему достигать опасного уровня.

Значение должно быть соответствующим образом рассчитано в соответствии с величиной тока, проходящего через них.

Как подключается? См. Рисунок ниже.

Как рассчитать резистор, ограничивающий ток эмиттера в параллельных BJT

На самом деле это очень просто и может быть рассчитано с использованием закона Ома:

R = V / I,

Где V — напряжение питания, используемое в цепи, а «I» может составлять 70% максимальной пропускной способности транзистора по току.

Например, предположим, что если вы использовали 2N3055 для BJT, поскольку максимальная пропускная способность устройства по току составляет около 15 А, 70% от этого будет около 10,5 А.

Следовательно, если V = 12 В, тогда

R = 12 / 10,5 = 1,14 Ом

Расчет базового резистора

Это можно сделать по следующей формуле

Rb = (12 — 0,7) hFE / ток коллектора (Ic)

Предположим, что hFE = 50 , Ток нагрузки = 3 ампера, вышеприведенная формула может быть решена следующим образом:

Rb = 11.3 x 50/3 = 188 Ом

Как избежать использования эмиттерных резисторов в параллельных BJT

Хотя использование ограничителей тока эмиттера выглядит хорошо и технически правильно, более простым и разумным подходом может быть установка BJT на обычные радиаторы с нанесенным на их контактные поверхности большим количеством радиаторной пасты.

Эта идея позволит вам избавиться от грязных эмиттерных резисторов с проволочной обмоткой.

Установка поверх общего радиатора обеспечивает быстрое и равномерное распределение тепла и устраняет опасную ситуацию теплового разгона.

Более того, поскольку предполагается, что коллекторы транзисторов должны быть параллельны и соединены друг с другом, использование слюдяных изоляторов больше не становится необходимым и делает вещи намного удобнее, поскольку корпуса транзисторов подключаются параллельно через сам металлический радиатор. .

Это как беспроигрышная ситуация … транзисторы легко соединяются параллельно через металлический радиатор, избавляются от громоздких эмиттерных резисторов, а также исключают ситуацию теплового разгона.

Подключение МОП-транзисторов в Parellel

В приведенном выше разделе мы узнали, как безопасно подключать БЮТ параллельно, когда дело доходит до МОП-транзисторов, условия становятся полностью противоположными и во многом в пользу этих устройств.

В отличие от BJT, МОП-транзисторы не имеют проблем с отрицательным температурным коэффициентом и, следовательно, свободны от ситуаций теплового разгона из-за перегрева.

Напротив, эти устройства демонстрируют характеристики с положительным температурным коэффициентом, что означает, что устройства начинают проводить менее эффективно и начинают блокировать ток, когда он начинает нагреваться.

Таким образом, при параллельном подключении МОП-транзисторов нам не нужно ни о чем беспокоиться, и вы можете просто подключить их параллельно, вне зависимости от каких-либо резисторов, ограничивающих ток, как показано ниже. Однако следует рассмотреть возможность использования отдельных резисторов затвора для каждого из МОП-транзисторов …. хотя это не слишком критично ..

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель . Я также являюсь основателем сайта: https: // www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими новаторскими идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

.Полевой транзистор с переходным соединением

»Примечания по электронике

Полевой транзистор JFET представляет собой активный электронный компонент, который является одной из рабочих лошадок электронной промышленности, обеспечивая хороший баланс между стоимостью и производительностью.

FET, полевой транзистор, руководство включает:
FET основы
Характеристики полевого транзистора
JFET
МОП-транзистор
МОП-транзистор с двойным затвором
Силовой MOSFET
MESFET / GaAs полевой транзистор
HEMT & PHEMT
Технология FinFET

Переходный полевой транзистор или JFET широко используется в электронных схемах.Полевой транзистор с переходным эффектом — это надежный и полезный электронный компонент, который можно очень легко использовать в различных электронных схемах, от усилителей с полевыми транзисторами до переключающих схем с полевыми транзисторами.

Переходный полевой транзистор находится в свободном доступе, а полевые транзисторы JFET можно купить за очень небольшие деньги. Это делает их идеальными для использования во многих схемах, где требуется хороший баланс между стоимостью и производительностью.

Полевые транзисторы

доступны уже много лет, и, хотя они не обеспечивают чрезвычайно высокие уровни входного сопротивления постоянному току полевого МОП-транзистора, они, тем не менее, очень надежны, прочны и просты в использовании.Это делает эти электронные компоненты идеальным выбором для многих конструкций электронных схем. Также доступны компоненты как с выводами, так и с выводами на поверхность.

Основы JFET

В основном полевой транзистор или полевой транзистор состоит из секции кремния, проводимость которой регулируется электрическим полем. Часть кремния, через которую протекает ток, называется каналом и состоит из кремния одного типа, N-типа или P-типа.

Соединительный полевой транзистор, символ цепи JFET

Соединения на обоих концах устройства известны как исток и сток.Электрическое поле для управления током прикладывается к третьему электроду, известному как затвор.

Поскольку только электрическое поле управляет током, протекающим в канале, говорят, что устройство работает от напряжения и имеет высокий входной импеданс, обычно много МОм. Это может быть явным преимуществом перед биполярным транзистором, работающим от тока и имеющим гораздо более низкий входной импеданс.

Работа JFET

Junction FET — это устройство, управляемое напряжением.Другими словами, напряжения, появляющиеся на затворе, управляют работой устройства.

Устройства с N-каналом и P-каналом работают одинаково, хотя носители заряда инвертированы, то есть электроны в одном и дырки в другом. Случай для N-канального устройства будет описан, так как это наиболее часто используемый тип.

Junction FET, JFET работает ниже насыщения

Толщина этого слоя изменяется в соответствии с величиной обратного смещения на переходе.Другими словами, при небольшом обратном смещении обедненный слой проходит только немного в канал и остается большая площадь для проведения тока.

Когда на затвор прикладывается большое отрицательное смещение, слой обеднения увеличивается, распространяясь дальше в канал, уменьшая площадь, по которой может проходить ток.

При увеличении смещения слой истощения в конечном итоге будет увеличиваться до такой степени, что он простирается прямо через канал, и канал считается отсеченным.

Когда в канале протекает ток, ситуация несколько меняется. При отсутствии напряжения на затворе электроны в канале (при условии, что канал n-типа) будут притягиваться положительным потенциалом на стоке и будут течь к нему, позволяя току течь внутри устройства и, следовательно, во внешней цепи.

Величина тока зависит от ряда факторов и включает площадь поперечного сечения канала, его длину и проводимость (т.е.е. количество свободных электронов в материале) и приложенное напряжение.

Из этого видно, что канал действует как резистор, и по его длине будет падение напряжения. В результате это означает, что p-n-переход становится все более смещенным в обратном направлении по мере приближения к стоку. Следовательно, слой истощения становится толще ближе к сливу, как показано.

По мере увеличения обратного смещения затвора достигается точка, в которой канал почти перекрывается обедняющим слоем.Однако канал никогда не закрывается полностью. Причина этого в том, что электростатические силы между электронами заставляют их распространяться, давая обратный эффект увеличению толщины обедненного слоя.

После определенного момента поле вокруг электронов, текущих в канале, успешно противодействует дальнейшему увеличению обедненного слоя. Напряжение, при котором слой обеднения достигает своего максимума, называется напряжением отсечки.

Приложения для схемы JFET

Полевые транзисторы

— очень полезные электронные компоненты, поэтому они используются во многих конструкциях электронных схем.Они предлагают ряд явных преимуществ, которые можно использовать во многих схемах.

• Простое смещение
• Высокое входное сопротивление
• Низкий уровень шума

Судя по своим характеристикам, полевые транзисторы JFET используются во многих схемах — от усилителей до генераторов, от логических переключателей до фильтров и многих других приложений.

Структура и изготовление JFET

JFET могут быть как N-канальными, так и P-канальными устройствами. Их можно сделать очень похожими способами, за исключением того, что области N и P в приведенной ниже структуре поменяны местами.

Часто устройства изготавливаются на более крупной подложке, а сам полевой транзистор изготавливается, как показано на схеме ниже.

Типовая структура JFET

Существует несколько способов изготовления полевых транзисторов. Для кремниевых устройств сильно легированная подложка обычно действует как второй затвор.

Активная область n-типа может быть затем выращена с помощью эпитаксии, или она может быть сформирована путем диффузии примесей в подложку или ионной имплантацией.

Если используется арсенид галлия, подложка образована полуизолирующим внутренним слоем.Это снижает уровни любых паразитных емкостей и позволяет получить хорошие высокочастотные характеристики.

Какой бы материал ни использовался для полевого транзистора, расстояние между стоком и истоком имеет важное значение и должно быть сведено к минимуму. Это сокращает время прохождения, когда требуются высокочастотные характеристики, и дает низкое сопротивление, которое имеет жизненно важное значение, когда устройство должно использоваться для питания или коммутации.

Ввиду их популярности, JFET доступны в различных пакетах.Они широко доступны в виде свинцовых электронных компонентов в популярном пластиковом корпусе TO92, а также в ряде других. Затем, как устройства для поверхностного монтажа, они доступны в пакетах, включающих SOT-23 и SOT-223. Вероятно, наиболее широко используются JFET в качестве устройств для поверхностного монтажа. Наиболее крупномасштабное производство осуществляется с использованием технологии поверхностного монтажа и сопутствующих устройств для поверхностного монтажа.

Хотя JFET менее популярен, чем MOSFET и имеет меньшее количество JFET, он все же остается очень полезным компонентом.Предлагая высокий входной импеданс, простое смещение, низкий уровень шума и низкую стоимость, он обеспечивает высокий уровень производительности, который может использоваться во многих ситуациях.

Другие электронные компоненты:
Резисторы
Конденсаторы
Индукторы
Кристаллы кварца
Диоды
Транзистор
Фототранзистор
Полевой транзистор
Типы памяти
Тиристор
Разъемы
Разъемы RF
Клапаны / трубки
Аккумуляторы
Переключатели
Реле

Вернуться в меню «Компоненты».. .

.