6. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Во многих применениях требуемые значения параметров ПТ по току, мощности и напряжению превосходят возможности выпускаемых приборов; при этом используют модули (сборки) с групповым соединением ПТ; параллельным, последовательным, последовательно-параллельным.

Принципиально возможен другой путь увеличения передаваемой в нагрузку мощности: построение электронного устройства на основе схемотехнических модулей (а не приборных); при этом мощность каждого модуля относительно невелика, а в нагрузку передается сумма мощностей всех модулей. Основное преимущество такого построения: повышение надежности и обеспечение резервирования. Однако для повышения мощности отдельных схемотехнических модулей также может потребоваться групповое соединение ПТ.

Применение приборных модулей ПТ (чаще всего используется параллельное соединение) позволяет увеличить предельное значение тока в открытом состоянии. Однако даже внутри одного типа ПТ имеется значительный разброс электрических и тепловых параметров, который, если не принять специальных мер, резко снижает эффективность приборного модуля: появляется неравномерность распределения токов и температуры структуры между приборами в модуле (электротепловая неравномерность) и надежность модуля снижается.

С точки зрения применения рассмотрим возможность параллельного соединения ПТ в статистическом режиме (на постоянном токе), в усилительном (линейном) режиме и в ключевом режиме (при переключении больших токов).

6.1. Распределение тока в статистическом режиме ПТ

Основным преимуществом параллельного соединения СИТ, как первого прибора, считается выравнивание тока между приборами вследствие положительного температурного коэффициента сопротивления СИТ: с ростом тока стока lp мощность lorps увеличивается, растет температура структуры Tj и, соответственно, rps - в результате распределения токов выравнивается. Следует сразу отметить, что влияние указанного эффекта на выравнивание тока в параллельном соединении ПТ несколько преувеличено. Дело в том, что чувственность этого механизма зависит не только от температурного коэффициента TKrcfe, но и (прежде всего) от разности температур между приб(?рами с низким и высоким ros-

Но именно эта разность в параллельном соединении всячески Уменьшается с помощью теплоотвода. Тем не менее влияние разброса rs на равномерность распределения тока представляет интерес.

Некоторое распределение о разбросе значении ь8(ол) дает табл. 6.1. где приведены величины год(ол) для двух партий приборов MTP8N18, а также gf, - крутизна и Vg5(THi - пороговое напряжение.

Г03(оп)тах - 0.4 Ом

Пусть максимальная температура структуры Tjax ~ 125°С, максимальная температура корпуса Тсвх 90°С, максимальная температура среды 35*С; параллельно соединены приборы с rpsmin ~ 0,3 Ом и rQsmax ~ 0,65 Ом (Id - 4,0 А, Tj 25С). Оценим распределение Iq, Pq, Tj. Температурный коэффициент сопротивления сток-исток ТКгрз 0,004 Ом/ С полагаем не зависящим от температуры и тока стока; теплоотводом между приборами пренебрегаем; внутреннее тепловое сопротивление Rjc - 1,67С/Вт. Тогда

Dmax

Tj-Tc RJc

Тс-Та

125-90 1.67

90-35

Рстзх 20,96

20М Вт

2,62 С/Вт

где Rca - тепловое сопротивление корпус-среда. Для ПТ с Tosmin имеем максимальный перегрев и для зависящих от температуры параметров получим:

fos/tts-c ~ Г Ds/zB-c ТКг Ds(T\ - 25С) -

0,3 + 0,004(125-25) = 07 Ом

Id Ро/го5 = V 20,96/07 = 5,5А

и as - /d ds ~ 3,85В

Методом итераций оценим параметры режима прибора с TDSmax (в первом приближении задаемся Ti -100-С);

Гов/кхк; = 0,65+0j004(W0-25) = 0,95 Oi Pd = Uj/г = (3,85 )/0,95 = 15 Вт АГ,с PoRi. = ISb&r = 25,05 С АГеа = Foffca = 15< 2,62 = 39,3 С

Расчет сходится при следующих значениях годах 0,95; Id - 3,9А: Ро - 15 Вт; Tj = 100°С.

При хорошем взаимном теплоотводе температуры структур приборов выравнивается (например, 120С и ЮбС), что приводит к еще большей неравномерности в распределении токов.

Несмотря на то, что расчеты проводились в статистическом режиме и учитывалось только статистическое тепловое сопротивление можно сделать вывод, что влияние положительного ТКгоз на выравнивание токов при параллельном соединении ПТ в импульсном режиме еще более снижается, т.к. температурный перепад между структурами определяется переходным тепловым сопротивлением, т.е. при малых длительностях импульсов тока влияние ТКгод практически отсутствует.

Для длительных (статичких) режимов входной контроль ПТ в параллельном соединении по гоз позволяет существенно улучшить . использование ПТ в параллельном соединении по току.

Разброс iX)S(on)> gfs и Vgs(TH) в двух партиях пластин

Таблица 6.1.

6.2. Распределение тока в динамическом режиме ПТ.

Под динамическим режимом здесь понимается распределение токов в параллельном соединении ПТ, как во время переходных процессов включения и выключения ПТ, так и распределение импульсных токов.

Параметры ПТ, которые влияют на равномерность распределения токов в параллельном соединении ПТ в динамическом режиме:, динамическая крутизна (gfj, пороговое напряжение (VggiTH)). аходная емкость и сопротивление в открытом состоянии Гоз(оп)-

Наиболее точно обеспечивается равномерное распределение токов в параллельном соединении ПТ при подборе по динамической крутизне gf, (рис. 6.1); разброс по динамике для ПТ М 35,52,53,70 при их параллельном соединении был не более 20 ns. Однако получение кривых типа рис.6.1 для всех ПТ в парал-

Рис. 6.3 Схема испытаний параллельного соединения ПТ.

. 4.0 &.0 л 7.0 вл ал 10 11

Vgs* мхшим мЛор-чсток w)

Рисб. 1 Передаточные ВАХ ПТ типа MTPSNlSs (подбор).

4л ъа ал 7.D ВЛ u id Vgs* ряжомм аЛор-11сто(( W)

Рис. 6.2 Передаточные ВАХ ПТ типа MTP8N18S.

лельном соединении - процесс трудоемкий, поэтому используют входной контроль в точке характеристики. Большинство публикаций предлагает входной контроль Vgsth) при заданном значении Iq (обычно 1 мА). Опыт Motorola показывает, что такой метод подбора ПТ не эффективен, т.к. передаточных ВАХ могут сильно различаться именно при больших токах стока (идентичными при малых токах в районе Vgs(THO-

Более эффективен подбор при больших токах (при Vgs > Vgs(TH))- Например, все четыре ПТ при Vg, - 6.0 В проводили ток Id - 4,0А, имели одинаковую динамическую крутизну (рис. 6.1) и высокую точность динамического распределения тока. ПТ Ne2,45,82,25 были подобраны по Vg,(TH)~ с точностью до 2%, но имели значительный разброс по динамической крутизне (рис.6.2); как следствие ПТ Ne 45 начинал свое выключение на 200 ns раньше остальных приборов.

Оценка распределения тока в параллельном соединении ПТ проводилась в схеме рис. 6.3. Включение сборки обеспечивается от импульсного генератора через транзистор MTP10N12, выключение через резистор 47 Ом в истоке этого транзистора; ускоренное выключение сборки возможно при отпирании транзистора MTP12N10. Сборка включается на чисто активную нагрузку Rl (39 штук угольных резисторов в параллельно между двумя медными пластинами).

Влияние разброса параметров исследовалось в схеме рис. 6.3; в параллельном соединении использовались 3 ПТ типа MTP8N18 с близкими параметрами и один ПТ типа MTP12N10 (табл. 6.2). ПТ MTP12N10 имеет такие же размеры кристалла (12 А, 100 В).

ПТ типа MTP12N10 включается с заметной задержкой по отношению к остальным ПТ в соединении (около 70 пс), хот он имеет наименьшее значение порогового напряжения; это происходит из-за большой С, (емкость затвора) и эффекта Миллера. Переходный процесс выключения более равномерной (к тому моменту, когда> ПТ типа MTP8N18 полностью выключились, ПТ типа MTP12N10 быстро переходил в активную область при малом токе нагрузки). Следует подчеркнуть, что равномерность тока в динамических решениях тем выше, чем выше скорость напряжения затвор-исток.

При исследовании параллельной работы МДП-транзисторов были выбраны ПТ типа MTP8N18 с максимальным разбросом по gfs (рис. 6.4а);

На рис. 6.4б,в и рис. 6.5 а,б,в,г приведены осциллограммы токов при разных скоростях изменения уп-равляюц;го напряжения: данные условия испытаний продемонстрировали наибольшую неравномерность динамического распределения токов в параллельном соединении ПТ.

Даже в условиях жесткого входного контроля характеристик ПТ распределение динамического тока будет плохим, если цепи управления будут .конструктивно несимметричными. При работе с максимальными скоростями изменения тока истока ПТ даже небольшая асимметрия в длине проводника в цепи истока оказывает, резкое влияние на распределение динами-

I 8.0 6.0 4.0 2.0 о

4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10 Vgs. Н ПМ1Ш Н11 ? т6ор- т<ж (*)

t Рис. 6.4а. Максимальный разброс передаттных ВАХ типа MTP8N 18s.

600 нс/дел ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ

500 нс/дел ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВЫКЛЮЧЕНИЕ

Рис. б.4б,в

ческих токов, если в параллельном соединении МДП-транзисторов в цепи истока одного ПТ добавить проводник с индуктивностью 50 нГ, то динамика пере-иючения этого ПТ резко ухудшится (этот ПТ практически выпадает из параллельной сборки).

Таким образом, при параллельном соединении МДП-ПТ необходимо обеспечить сведение к минимуму паразитных (монтажных) индуктивностей и емкостей в (епи затвор-исток и полную симметрию этих цепей №я каждого ПТ, входящего в параллельную сборку; необходимо также согласование отдельных ПТ.по выгодному импедансу (в- противном случае несишсрони-жрованный перезаряд входный емкостей и действия - дефекта Миллера вызовет неравнополярность диНами-

2A/div

lov/div

2A/div

100 ns/div

быстрое включение обратного тока питания диода

gs 5v/div

200 ns/div

иЩЦАЕННОЕ включение обратного тока питания дисда

5v/div

20 ns/div

быстрое индуктивное ВЫКЛЮЧЕНИЕ

каждого устройства

Id ПТ №

103.102. 108 и 107

200 ns/div

г) ыецаенное индуктивное ВЫКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 6.5. Диаграммы распределения тока Id в пт типа mtp8n18s при переключении на индуктивную нагрузку: а) б) - переходный процесс включения; в) г) - переходный процесс выключения

ческих токов). При выполнении этих требований особую роль начинает играть собственная индуктивность истока ПТ (примерно, 7 нГ для корпуса ТО-3). Например, скорость изменения тока при выключении 8,0 А/50 нс вызывает индуктивное напряжение примерно 1,1 В (Ul - L dl/dt - 7.0 нГ 8.0А/50нс). Это дополнительное напряжение действует в активной области работы ПТ, т.е. собственная индуктивность истока