Výběr správných MOSFETů pro optimalizaci účinnosti napájecího zdroje – Znalosti
Obr. 1 znázorňuje zjednodušený obvod s HS-FET a LS-FET.
Při výběru MOSFETů čelí energetici výzvě správného rozložení vnitřního odporu HS-FET a LS-FET, aby byla zajištěna optimální účinnost.
Struktura a ztrátové složení MOSFETu
Volba MOSFETu závisí na účinnosti a konstruktér musí najít kompromis mezi ztrátami vedením a ztrátami při přepínání. Ztráty vedením vznikají, když je MOSFET vypnutý, v důsledku proudu protékajícího přes odpor v sepnutém stavu; ztráty při přepínání vznikají během přepínání MOSFETu, protože MOSFET nepřepíná okamžitě. To je způsobeno kapacitním chováním polovodičové struktury uvnitř MOSFETu.
MOSFET je integrovaná vícesložková struktura sestávající z několika paralelně zapojených polovodičových struktur MOSFET. Čím více krystalů MOSFET je zapojeno paralelně, tím nižší je odpor v zapnutém stavu (RDS(ON)), ale tím vyšší je parazitní kapacita. Nižší RDS(ON) snižuje ztráty vedením, ale zvyšuje parazitní kapacitu, což zvyšuje ztráty při spínání. Proto musí konstruktéři udržovat určitou rovnováhu mezi odporem a kapacitou.
Výběr MOSFETu vyžaduje pečlivé zvážení, ale jeho určení testováním na desce může být příliš časově a energeticky náročné. Proto je cennější vytvořit přesný matematický model pro analýzu ztrát a pomoc s výběrem MOSFETu.
Výpočet ztrát vedením
Nejprve se podívejme na relativně jednoduchý výpočet ztráty vedením. Ztrátu vedením lze vypočítat z proudu protékajícího MOSFETem v jednom cyklu a pulzujícího proudu.
Pro zajištění přesnosti tento výpočet zohledňuje vztah mezi RDS(ON) a teplotou. Protože vnitřní odpor RDS(ON) MOSFETu není pevná hodnota, bude se s rostoucí teplotou zvyšovat.
Metoda pro výpočet ztrát vedením je znázorněna na obr. 2, kde IO je jmenovitý proud, ΔIO je amplituda pulzací proudu, TJ je teplota spoje a k je teplotní koeficient.
Obrázek 2: Výpočet ztrát vedením
Ztráty při přepínání (parazity)
Výpočet ztrát při spínání je složitý, protože je nutné vzít v úvahu parazitní indukčnost způsobenou indukčností v každé smyčce, stejně jako nelineární parazitní kapacitu MOSFETu při různých napětích.
Obrázek 3 ukazuje dva parazitní faktory, které je třeba vzít v úvahu při výpočtu ztrát při spínání.
Spínací ztráty (ztráty vedením)
Ztráta vodivosti se skládá ze tří fází, jak je popsáno níže:
1. Fáze 1 (fáze HS-FET): Když je HS-FET zapnutý, napětí drain-source (VDS) začne klesat a proud drain-source dále stoupá, dokud napětí VDS(TOP) HS-FETu neklesne na 0 V nebo dokud proud HS-FETu (IHS) nestoupne na výstupní proud (IOUT).
2. Fáze 2 (fáze zpětné obnovy): Během zpětné obnovy dosáhne ITOP svého vrcholu a poté LS-FET začne generovat napětí.
3. Fáze 3 (fáze šoku): Když IHS přestane kmitat, šok končí.
Obrázek 4 ukazuje ztráty spínáním v poměru ke ztrátám vedením.
Ztráty při spínání (ztráty při vypnutí)
Ztráty při vypnutí se skládají ze dvou fází, jak je popsáno níže:
Fáze 1 (stoupá napětí DS): IDS klesá s rostoucím VDS. Tato fáze končí, když IDS klesne na 0 A.
Fáze 2 (oscilace): Tato fáze končí, když VDS přestane oscilovat.
Obr. 5 ukazuje ztráty při vypnutí.
Validace matematického modelu a analýza
Jakmile jsou pochopeny různé ztráty v obvodu, lze matematický model sestrojit takto:
1. Nastavte požadované hodnoty parametrů obvodu. Hodnota MOSFETu se analyzuje podle výše uvedeného vzorce a kompenzační hodnoty jeho nelineárního parametru.
2. Proveďte alespoň jeden spínací cyklus, zatímco měnič pracuje v ustáleném stavu, a proveďte simulaci přechodových jevů.
3. Integrujte průběhy napětí a proudu, abyste získali ztráty spínáním a ztráty vedením MOSFETu. Tento krok lze provést pomocí výkonového senzoru nebo vynásobením signálů proudu a VDS.
Jakmile je model vytvořen, použijte data získaná z výše uvedených ztrát výkonu k získání simulované hodnoty účinnosti a porovnejte tuto hodnotu s křivkou účinnosti získanou z desky (nebo datového listu). Model byl považován za přesný, pokud vypočítaná účinnost byla v rámci chyby 0,5 procenta (viz obrázek 6).
Obrázek 6: Ověření matematického modelu
Výběr MOSFETů na základě matematických nástrojů
V příkladu tohoto článku jsme vzali 10 MOSFETů s celkovým vnitřním odporem 100 mΩ a vypočítali křivky účinnosti pro různé poměry vysokonapěťových a nízkonapěťových MOSFETů podle výše uvedeného modelu. Například poměr 1:9 znamená, že existuje 1 HS-FET (vysoký RDS(ON), nízká kapacita) a 9 LS-FETů (nízký RDS(ON), nízká kapacita).
Porovnáním křivek můžeme dojít k závěru, že optimální poměr MOSFETů pro aplikace 12 V až 3,3 V, 10 A je 3:7 (viz obrázek 7). Tato sada křivek účinnosti ukazuje, že i při stejném počtu MOSFETů budou různé poměry mít za následek různé křivky účinnosti. Z toho můžeme najít optimální poměr MOSFETů pod křivkou optimální účinnosti.
Obrázek 7: Optimální zisky MOSFETu
Obrázek 8 ukazuje, jak najít bod minimální ztráty v obvodu při různých převodových poměrech MOSFETu pro stejné vstupní a výstupní charakteristiky a stejný výstupní proud. Konstruktéři by měli mít tyto charakteristiky na paměti při výběru převodového poměru MOSFETu.
Závěr Výběr MOSFETů úzce souvisí s účinností obvodu a přesné matematické modely mohou zjednodušit výběr a návrh MOSFETů. Pro získání přesného modelu je nutné zohlednit parazitní parametry obvodu a výsledky lze ověřit pomocí křivky účinnosti. Tento článek popisuje, jak vybrat správný poměr HS-FET a LS-FET pomocí přesného matematického modelování pro dosažení optimální účinnosti napájecího zdroje. Více informací naleznete v části Ovladač MPS MOSFET a řešení napájení.
Zdroje často využívají paralelní zapojení MOSFETů. Hlavním účelem je sdílení proudu mezi tranzistory, což při kladném teplotním koeficientu RDS(ON) obvykle zabraňuje zablokování toku proudu jedním tranzistorem. Aby tento upravený obvod správně fungoval, musí MOSFET pracovat v oblasti blízké saturaci, jako v případě spínacích obvodů, a nikoli v oblasti triody nebo lineární oblasti, jako v případě lineárních obvodů.
Dá se říci, že ve spínaných zdrojích jsou vlastnosti výkonových MOSFETů za určitých okolností prospěšné pro konstruktéra. K tomu dochází během fází konverze napájení, kdy jsou MOSFETy použity jako výkonové spínače. Totéž však nelze říci o MOSFETech používaných k ochraně obvodů a v elektronických zátěžích.
Bezpečný pracovní prostor a tepelná stabilita
Typickou metodou pro zvýšení výkonu (proudu) je paralelní zapojení výkonových tranzistorů. V době, kdy bipolární tranzistory byly jedinou volbou, si konstruktéři uvědomili, že za vhodných podmínek mohou tyto rádiové komponenty relativně snadno propojit paralelně.
Záporný teplotní koeficient VBE způsobuje nárůst kolektorového proudu s teplotou (bipolární tranzistor je modelován jako zdroj proudu, kde MOSFET má proměnný odpor). Ale tato tendence může být řízena, protože vysoká transkonduktance bipolárního tranzistoru umožňuje vhodně nastavit sdílení proudu mezi tranzistory pomocí emitorových předřadných odporů.
Zde je třeba připomenout, že tepelná nestabilita celé skupiny paralelně zapojených bipolárních tranzistorů je stále možná, pokud není zajištěna teplotní kompenzace řídicího obvodu nebo když jsou tyto tranzistory v proudové regulační smyčce.
S příchodem tranzistorů MOSFET se situace změnila. Kladný teplotní koeficient RDS(ON) MOSFET znamená, že jednotlivá matrice bude mít tendenci omezovat svůj vlastní odběrový proud. To však vyžaduje, aby MOSFETy měly hradlový ovladač, který zajistí plný zisk. Proto budou tranzistory pracovat v čistě odporové oblasti, stejně jako ve spínacím obvodu. Bohužel to není možné, když MOSFETy pracují v triodové nebo lineární oblasti.
To je jeden z problémů, se kterými se setkáváme při paralelním zapojování výkonových MOSFETů v lineárních obvodech. Druhá obtíž vyplývá z teplotního koeficientu V GS. Většina MOSFETů má oblast záporného teplotního koeficientu odtokového proudu jako funkci hradlového napětí, jak ukazuje zelená šipka. Tato oblast se však vyskytuje pouze na současných úrovních příliš vysokých na to, aby byla užitečná. Většina křivky ukazuje kladný teplotní koeficient svodového proudu, označený červenou šipkou. To znemožňuje získat správné rozdělení proudu, což může způsobit, že teplota jednoho nebo více paralelních MOSFETů nekontrolovatelně stoupá.
Lineární obvody, ve kterých lze paralelně zapojit výkonové MOSFETy, lze rozdělit do 3 hlavních kategorií:
- Jednoduché paralelní konfigurace MOSFET, ale nedoporučuje se pro praktické aplikace.
- Elektronické pojistky (eFuses) nebo ochranné obvody spínačů jsou velmi pokročilá řešení, ale mohou poskytovat režimy omezení proudu a ochrany, které vyžadují lineární provoz jednoho nebo více paralelních MOSFETů.
- Elektronické zátěže a lineární výkonové zesilovače, ve kterých jsou MOSFETy vždy v lineární oblasti.
Obecně se doporučuje přidat hradlové odpory do série, aby se zabránilo rušivým oscilacím v MOSFETech.
ePojistka a proudové koncové spínače
Prvky, nazývané eFuse, plní téměř stejnou funkci jako hot-swap systémy. Oba typy pracují v pulzním i lineárním režimu. Lze je zcela deaktivovat, rozšířit provozní rozsah a v případě potřeby povolit režim lineární ochrany. Existují dokonce i elektronicky pojistková (eFuse) zařízení, která mají pouze režimy úplného vypnutí nebo plného zapnutí (spínání), a taková zařízení poskytují spolehlivou implementaci paralelních MOSFETů.
Obvody eFuse a hot swap obvykle snímají proud a poskytují ochranu hradlové smyčky pro MOSFET. Mnoho ovladačů má jeden proudový snímač a jeden obvod ovládání brány. V tomto případě můžete MOSFETy zapojit paralelně, jen si všimněte, že když smyčka řídí proud, snižuje napětí hradla na proudovou limitní hodnotu. Pokud se tedy některý z tranzistorů pokusí “potopit” proud, obvod bude v podstatě řídit pouze tranzistor nejvyšším proudem a doprovodné MOSFETy mohou vést malý nebo žádný proud.
Tato situace sama o sobě není destruktivní, ale vyžaduje, aby konstruktér zacházel s dvojicí MOSFETů, jako by měly SOA (bezpečnou provozní oblast) jediného MOSFETu.
Vylepšení nabízejí některé nedávno vyvinuté ovladače, které poskytují samostatné snímání proudu a ovládání brány pro každý MOSFET. To zlepšuje výkon těchto tranzistorů, protože je k dispozici celá oblast SOA páru (nebo libovolný počet zařízení, pro které má řadič přiřazené kanály).
Příkladem takového ovladače je LTC4282, znázorněný na obrázku níže. Jak se ukázalo, koncepty použité v tomto obvodu platí pro paralelní MOSFETy v jakémkoli lineárním obvodu, což umožňuje plné využití SOA více MOSFETů. Cílem je paralelně zapojit řídicí obvody, nikoli pouze MOSFETy.
Konstrukce paralelních obvodů
Po celá léta elektronické zátěže ukazovaly na spolehlivé paralelně zapojené MOSFETy. Základní elektronický zátěžový prvek tvoří operační zesilovač a proudový zdroj s MOSFETem. Obsluha tohoto známého a jednoduchého obvodu je intuitivní. VIN je napětí používané k naprogramování požadovaného proudu. Tento proud je určen poměrem napětí V IN a odporu bočníku R SHUNT:
Tento vztah platí pro obvody zobrazené na obrázcích.
Komerčně dostupné elektronické zátěže používají paralelní napájecí jednotky, které poskytují vysoké proudy, výkon a schopnosti SOA. Základní obvod je zdroj proudu a zátěžové moduly mohou mít globální řídicí smyčky, které poskytují konstantní proud, konstantní napětí, odpor a dokonce i reaktanci.
V minulosti byly k dispozici lineární výkonové zesilovače, které pracovaly s paralelními FETy obsahujícími pouze „balastní“ odpory ve zdrojových obvodech. Ale aby byla zajištěna nejvyšší možná spolehlivost, musí i výkonový zesilovač obsahovat obvody pro řízení proudu s uzavřenou smyčkou. V této konfiguraci je možné získat šířku pásma stovek kilohertzů, ale bude obtížné navrhnout zařízení pro širší šířku pásma a zajistit jejich správnou kompenzaci.
V případě lineárního výkonového zesilovače nebo obousměrné elektronické zátěže lze topologii, ve které je výstup plovoucí zátěže odebírán z kolektoru MOSFET, snadno konfigurovat jako výstupní obvod v konfiguraci zdroje proudu. Zdroj výstupního napětí se získá zavedením přídavného zesilovače na vstup s globální zpětnou vazbou odstraněnou ze zátěže. Lokální MOSFET obvody zajišťují správnou klidovou polarizaci bez ohledu na teplotu. Výkon regulace proudu se zlepší, když se použijí rezistory zdroje s vyšší hodnotou, a nízké předpětí operačních zesilovačů poskytuje přesnější klidové předpětí.
V konfiguraci s globální zpětnovazební smyčkou jsou důležité napěťové zesílení MOSFETu, šířka pásma a fázový posun. Výhodou této konfigurace je, že operační zesilovače mohou pracovat při typických napájecích napětích (např. ±15 V) s použitím vyhrazených napájecích zdrojů, zatímco výstupní stupeň je schopen poskytovat napěťové zesílení při vyšších výstupních napětích omezených pouze jmenovitým napětím zesilovače.
Shrňme si článek
Pokus o přímé paralelní zapojení diskrétních MOSFETů, a to i včetně rezistorů předřadníku zdroje, vede v nejlepším případě k problematické dlouhodobé spolehlivosti. U tohoto přístupu je velmi obtížné dosáhnout spolehlivosti za extrémních napájecích napětí, provozních teplot a zátěžových podmínek. A přestože existuje osvědčené řešení téměř na čipu, které poskytuje téměř dokonalé přizpůsobení MOSFETů, jeho implementace je obtížná a nákladná.
Naštěstí jsou moderní operační zesilovače malé, s nízkým příkonem a mají výkon, který umožňuje snadno navrhnout obvod, který bezpečně paralelně zapojuje MOSFETy. Integrované obvody, jako jsou hot-swappable budiče, elektronické pojistky a zátěžové boxy, podporují použití paralelních MOSFETů.
Než se ale rozhodnete použít paralelní tranzistory, vyplatí se hledat MOSFET s co nejvyšším výkonem, protože dokáže splnit požadované požadavky i bez paralelních obvodů. Například FETy IXYS IXA60IF1200NA s jmenovitým proudem 90 A a 1200 V dokáží splnit požadavky na vysoký proud pouze s jedním prvkem. Existuje mnoho takových „velkých“ MOSFETů od různých výrobců, které se vyrábějí v pouzdrech SOT-227.
Líbil se vám článek? Můžete ho ohodnotit!