Устранение паразитных колебаний, возникающих при параллельном соединении транзисторов MOSFET

Основная проблема при параллельном включении MOSFET транзисторов это возникновение паразитных колебаний. В статье рассмотрены причины возникновения паразитных колебаний в MOSFET транзисторах компании Advanced Power Technology (APT), исследованы методы их устранения и доказано, что добавление к базе транзистора индуктивности типа ферритового цилиндра (ferrite bead) является наиболее оптимальным решением. Полученные результаты также справедливы и для транзисторов типа IGBT.

Природа паразитных колебаний

Колебания возникают при скачке напряжения стока в момент переключения транзисторов. Рисунок 1 показывает колебания, возникающие у двух параллельно соединенных MOSFET транзисторов APT5024BLL (номинальные напряжение 500В и ток 22А). Каждый транзистор в своем составе имеет резистор, сопротивлением 10Ом. Он располагается между затвором и драйвером управления затвором. Результаты эксперимента получены при напряжении сток-исток 333В, при токе 44А и температуре среды 25С. Напряжение драйвера управления затвором составляло 15В.

В качестве драйвера использовалось устройство Micrel MIC4452 с симметричной разводкой контактов затвора. Как видно из рисунка 1, на затворе возникают колебания достаточно высокой частоты. Диапазон частот колебаний лежит в пределах от 50МГц до 250МГц. Такие высокочастотные колебания недопустимы, т.к. это может стать причиной скачков напряжения на затворе, излучения радиочастотных помех, высоких потерь на переключение, способным вывести из строя конечное изделие.

Добавление индуктивности типа Ferrite bead

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 MOSFET транзистора  устранило паразитные колебания при минимизировании потерь на переключение.

Фактически, добавление индуктивности более эффективно, чем использование резистора на затворе, т.к. ее импеданс прямопропорционален частоте. Ширина полосы пропускания сигнала, поступающего с драйвера управления затвором, около 2МГц, тогда как частота, на которой возникают паразитные колебания, составляет 50 – 250Мгц. 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 ней, проводить демпфирование резистором затвора. Для подавления помех элементы Ferrite не только на параллельно установленных MOSFET транзисторах. При этом будет достигаться тот же эффект: высокочастотные шумы на затворе будут блокироваться, устраняя любые попытки к возникновению колебаний.

На рис.3 показаны переходные процессы в момент выключения двух параллельно соединенных транзисторов MOSFET - APT5024BLL. В эту серию были последовательно добавлены индуктивные элементы с резисторами сопротивлением 4.3Ом на каждом затворе. Включение параллельно соединенных транзисторов происходит с теми же колебаниями, что и выключение.

На рис.4 изображены осциллограммы при включении двух параллельных транзисторов APT50M65LLL, на затворе каждого из которых размещен резистор сопротивлением 4.3Ом. Характеристики этих же устройств изображены на рис.5, но только уже с затворными резисторами сопротивлением 1Ом и индуктивными элементами Ferrite bead маленькой величины на каждом затворе. Колебание устранено, но при этом пришлось пожертвовать 8-ми процентным увеличением энергии, затрачиваемой на включение и незначительным увеличением задержки при включении.

Рис.6 показывает возникновение колебаний при выключении MOSFET 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 и рис.5 использовались резисторы сопротивлениями 4.3Ом и 1Ом 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.

Если для устранения колебаний использовалось 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

Может показаться лишним добавление индуктивности Ferrite bead к цепи управления затворами, решающей проблему паразитных колебаний. Лучшие решения, реализованные на практике, велят проводить уменьшение индуктивности драйвера управления затвором путем использования плотной компоновки схемы. Однако ключ с компоновкой драйвера управления затвором обладает не достаточной 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 колебание 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 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 15В, корпус DO-41). Выводы диода были обрезаны до длины 5мм, необходимой для установки диода на поверхность печатной платы. На частоте вплоть до 250МГц импеданс корпуса стабилитрона является чисто емкостным, на высших частотах преобладает индуктивное сопротивление корпуса, что позволяет диоду выступать как катушка индуктивности. Также как и у обычных диодов, емкостное сопротивление стабилитрона уменьшается с повышением напряжения обратного смещения.

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, т.к. емкостное сопротивление стабилитрона по сравнению с входным емкостным сопротивлением MOSFET транзистора не значительно.

С тех пор, как помещение стабилитрона между затвором и истоком не стало приносить значительных результатов (при подавлении высокочастотных шумов и паразитных колебаний) стало лучшим 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 транзиторы 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 транзисторы имеют свои собственные маленькие технические тонкости, которые необходимо соблюдать при использовании транзисторов в процессе работы:

• Паразитные колебания между двумя параллельно установленными транзисторами недопустимы, т.к. значительно уменьшается надежность, эффективность устройства.

• Индуктивности Ferrite bead очень эффективны в устранении паразитных колебаний до тех пор, пока уменьшаются потери на переключения, т.к. 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. AN APT-0402 Rev A “Eliminating parasitic oscillations between parallel MOSFETs”, Jonathan Dodge, P.E.

Скачать в PDF