Những điểm chính
- Các thông số kỹ thuật điện chính xác định MOSFET là dòng điện qua D-S (ID) và điện áp tối đa giữa cực D và cực S (VDS).
- Nếu các MOSFET song song hoàn toàn giống hệt nhau thì sự kết hợp này có thể được coi như một thành phần duy nhất.
- Sự mất cân bằng dòng điện và dao động ký sinh là hai vấn đề quan trọng mà hầu hết các kết hợp song song của MOSFET phải đối mặt.
MOSFET song song phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô
Là một kỹ sư điện tử công suất trong ngành hàng không vũ trụ, tôi đã làm việc trên một số bộ chuyển đổi nguồn. Hầu hết các bộ chuyển đổi nguồn này là bộ biến tần để biến đổi năng lượng pin thành năng lượng AC có biên độ và tần số mong muốn. Các MOSFET SiC song song được sử dụng để thực hiện một linh kiện đóng cắt duy nhất trong bộ biến tần. Việc song song các MOSFET giúp bộ biến tần xử lý nhiều dòng điện hơn và tăng độ tin cậy nhiệt của hệ thống. MOSFET song song phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về những điều cơ bản của MOSFET song song.
Các thông số hiệu suất điện chính của MOSFET
MOSFET là thiết bị chuyển mạch điện tử công suất được sử dụng rộng rãi trong các bộ chuyển đổi công suất cao ngày nay. Chúng có sẵn dưới dạng đơn hoặc mô-đun. Trong các mô-đun MOSFET, có nhiều cấu hình khác nhau, chẳng hạn như nửa cầu, cầu H hoặc sáu mosfet, được thiết kế riêng cho các ứng dụng tần số cao.
Các thông số kỹ thuật điện chính xác định MOSFET là dòng điện D-S(ID) và điện áp tối đa giữa cực D và cực S (VDS). Khi chọn MOSFET, các nhà thiết kế phải đảm bảo điện áp và dòng điện liên quan đến linh kiện đóng cắt trong ứng dụng nhất định nhỏ hơn giá trị định mức của nó.
Các thông số hiệu suất điện chính của MOSFET, VDS và ID, được chỉ định ở nhiệt độ vỏ, thường được đánh dấu là Tc. Nhiệt độ hoạt động của ứng dụng có thể khác với nhiệt độ vỏ và điều quan trọng là phải có thông số kỹ thuật MOSFET ở nhiệt độ này. Độ sụt áp, dòng điện, điện trở và công suất tiêu tán của MOSFET thay đổi theo nhiệt độ và việc biết các giá trị này ở nhiệt độ hoạt động giúp các nhà thiết kế lựa chọn thiết bị phù hợp.
Lựa chọn MOSFET
Điện trở nội R DS on của MOSFET đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị. Đối với một ứng dụng nhất định, điện trở nội (RDS(on)) của MOSFET ở nhiệt độ hoạt động mong muốn được lấy từ biểu đồ điện trở trạng thái bật so với nhiệt độ được chuẩn hóa. Công suất tiêu tán (Ptot) của MOSFET ở cùng nhiệt độ được đo từ biểu đồ công suất tiêu tán so với nhiệt độ trong bảng dữ liệu. Dòng điện thiết bị định mức ở nhiệt độ hoạt động mong muốn có thể được tính bằng cách thay thế RDS(on) và Ptot trong phương trình công suất cơ bản.
Đối với một nhiệt độ hoạt động nhất định, việc lựa chọn MOSFET dựa trên việc dòng điện ứng dụng có nhỏ hơn dòng điện định mức được tính toán ở nhiệt độ đó hay không. Nếu nhỏ hơn, có thể lựa chọn MOSFET. Nếu dòng điện ứng dụng vượt quá dòng điện định mức, nó có thể làm quá nhiệt mối nối và làm hỏng mosfet. Trong hầu hết các trường hợp, điều xảy ra là chúng ta không tìm thấy mô-đun hoặc thiết bị MOSFET phù hợp đáp ứng các yêu cầu về điện và nhiệt của ứng dụng. Trong những trường hợp như vậy, tùy chọn là song song các MOSFET để cải thiện khả năng xử lý dòng điện và công suất tiêu tán cùng với sự gia tăng nhiệt độ.
Chúng ta hãy cùng tìm hiểu xem MOSFET song song có thể xử lý nhiều tải hơn so với MOSFET đơn như thế nào.
MOSFET song song
Nhìn chung, các MOSFET đơn không đáp ứng được mức dòng điện cực cao mà bộ chuyển đổi điện yêu cầu. Để đáp ứng các yêu cầu về dòng điện của các ứng dụng công suất cao, nhiều MOSFET có thể được kết nối song song. Các MOSFET được kết nối song song xử lý nhiều dòng điện hơn và có thể được điều khiển bằng một đầu ra chân G. Ví dụ, bằng cách thay thế một MOSFET đơn bằng hai MOSFET song song và được điều khiển đồng thời bằng một tín hiệu tới cực G, dung lượng dòng điện có thể tăng gấp đôi. Nếu các MOSFET song song giống hệt nhau, thì chúng chia sẻ dòng điện như nhau khi bật.
Nếu các MOSFET song song hoàn toàn giống hệt nhau, thì sự kết hợp này có thể được coi là một thành phần duy nhất. Điện trở trạng thái bật hiệu dụng RDS(on) của các MOSFET song song như vậy giảm đáng kể và tổn thất công suất liên quan đến sự kết hợp này cũng vậy. Khi công suất tiêu tán giảm, nhiệt độ mối nối của MOSFET vẫn ở dưới giới hạn. Sự song song cải thiện độ ổn định nhiệt của MOSFET được kết nối, ngay cả khi tổng dòng điện qua các nhánh song song lớn hơn định mức dòng điện của từng thiết bị.
Tuy nhiên, không thể tìm được hai MOSFET giống hệt nhau. Sự không khớp tham số giữa các MOSFET song song dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng. Mất cân bằng dòng điện và dao động ký sinh là hai vấn đề nghiêm trọng mà hầu hết các kết hợp song song của MOSFET phải đối mặt.
Chia sẻ dòng điện không đều của MOSFET song song
MOSFET song song được kết nối với khái niệm rằng mỗi mosfet cho dòng điện chạy qua nó một cách đồng đều và không có sự tập trung dòng điện trong quá trình dẫn điện động hoặc trạng thái ổn định của các thiết bị. Tuy nhiên, có những điều kiện phá vỡ sự chia sẻ dòng điện giữa các MOSFET song song.
Khi có sự không khớp tham số, chẳng hạn như sự khác biệt trong RDS(on), MOSFET có điện trở trạng thái bật thấp nhất sẽ mang dòng điện cao nhất. Tuy nhiên, sự mất cân bằng dòng điện này được bù trừ do hệ số nhiệt độ dương của RDS(on). Khi thiết bị mang nhiều dòng điện hơn, nó nóng lên nhanh hơn các MOSFET song song khác và điều này làm tăng giá trị điện trở trạng thái bật của nó. Sự gia tăng điện trở trạng thái bật làm giảm dòng điện chạy qua nó và cuối cùng cân bằng dòng điện chảy và công suất tiêu tán trong tất cả các MOSFET song song.
Tuy nhiên, điều này không đúng khi MOSFET dẫn điện ngược chiều qua diode thân. Điện áp thuận của diode thân giảm khi nhiệt độ tăng và cho phép dòng điện chạy qua nhiều hơn. Theo thời gian, sự mất cân bằng dòng điện tăng lên và gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, làm hỏng MOSFET song song.
Việc đấu dây mạch không đối xứng có thể làm tăng nhiệt độ do sự mất cân bằng dòng điện thấy được trong MOSFET song song. Bố trí đối xứng của MOSFET và mô phỏng tương tự có thể giúp giảm bớt các vấn đề trong việc chuyển đổi bộ chuyển đổi với một MOSFET hoặc MOSFET song song.
