Соединение транзисторов параллельно. Параллельное включение биполярных транзисторов. Защита от перегрузки по току

Нюанс при покупке принтера (08.07.2017). → Ранее была жуткая головная боль от схемотехники в сфере логики работы транзисторов , причем именно с практическим акцентом. Пришло время соединять полевые и биполярные транзисторы параллельно, в результате опытов открылись странные свойства полевиков.

В случае с полевыми транзисторами выравнивающие резисторы не нужны. Но обнаружился другой нюанс: чем больше транзисторов в параллельной связке - тем немного большее время требуется для их открытия. Измерения делались на одном и трех транзисторах AUIRFU4104 (живучие, так и не смог их убить даже при частичном открытии). Тест: 5.18В, 0.21Ом, транзистор. Конечный ток был меньше 24.6А за счет нагрева проводов и падения на транзисторах, однако он составлял не менее 17А:
- при использовании на затворе такого же напряжения, как на стоке (положительного), транзисторы начинают открываться медленно, не доходя до режима насыщения (падает 3.3В). И это при заявленном пороговом напряжении открытия 2-4В (возможно, это нижний порог открытия: минимум и максимум минимального напряжения начала открытия). Резистор на затворе отсутствует, и это не вредит процессу. Присоединение 910кОм на каждом затворе влияет на скорость открытия транзисторов, но не на конечный номинал падения напряжения на транзисторах. Транзисторы греются до такой степени, что истекают оловом. Связка открывается медленнее отдельного транзистора процентов на 10;
- при использовании на затворе напряжения, превышающего на стоке (12В), транзисторы моментально входят в режим насыщения, падение составляет всего 0.2В на всей связке. Резистор С5-16МВ 0.2Ом/2Вт взорвался спустя 10сек какими-то застывающими на воздухе соплями (впервые вижу резистор с наполнителем). Транзисторы нагрелись менее чем на 50 градусов, а одиночный - <100 градусов. Резистор на затворе отсутствует, и это не вредит процессу.

(добавлено 07.07.2017) Уточнена величина падения напряжения на полевиках: 3.3В. Для подтверждения теории об отрицательной обратной связи у биполярников необходим практический тест (как было в случае с

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Вопросы на тему использования силовых транзисторов в параллельном включении появляются все чаще и чаще. Причем вопросы относятся как и к автомобильным преобразователям, так и к сетевым.
Лень меня одолела и я решил ответить сразу на все вопросы в один заход, чтобы больше на эту тему не отвлекаться.
Для примера возьмем последний вопрос на эту тему:
Прошу помощи или совета с подбором MOSFET и рекомендации по ремонту. Ремонтирую преобразователь 12/220 1800 Ватт. Там в каждом плече выхода 220 Вольт стоят 6 транзисторов. В общем их всего 12шт. родные BLV740. Часть накрыльсь. До меня туда влепили IRF740 3 шт. Проверил нашёл пару ещё неисправных. Докупил ещё 3 IRF740 (чтобы все транзисторы в одном плече были одинаковые). Схема не заработала то включалась то уходила в защиту.
В конце концов умерли ещё часть полевиков. Поставил все IRF740, заменив сгоревшие - снова не работает. Часть транзисторов греется и в конце концов опять часть сгорела. Предположил, что параметры транзисторов "разбежались", выпаял все, оставил по 1 транзистору на полупериод т.е 2 вверху и 2 внизу. Подключил-всё работает, нагрузку 100 Ватт держит. Теперь вопрос. Прав ли я что транзисторы нужно менять все одновременно. И можно ли заменить BLV740 на IRF740?
Я конечно мог бы не разводить балобольню и ответить коротко, но я не люблю клонеров (бездумно клонирующих чущие схемы), поэтому данный ответ построю на ряде вопросов таким образом, что думающий человек поймет о чем речь, а бестолковый будет и дальше тратить свою бюджет на взрывающиеся полевики. (Ехидно хихикаю...)

Итак, потихоньку поехали:
Изначально стояло несколько штук BLV740, открываем даташник и смотрим всего одну единственную строчку - количество энергии, запасенной затвором, которая обозначается Q g .
Почему именно эту строчку?
Потому что от этого значения на прямую зависит время открытия и закрытия полевого транзистора технологии MOSFET. Чем больше это значение, тем больше требуется энергии, чтобы открыть или закрыть полевой транзистор. Сразу оговорюсь - есть такое понятние в полевых транзисторах, как емкость затвора. Этот параметр тоже важный, но уже когда преобразование происходит на частотах сотни кГц. Лезть туда настоятельно не рекомендую - нужно съесть не одну собаку в этой области, чтобы успешно перешагнуть хотя бы сотню килогерц, причем есть собаку вместе с будкой.
Поэтому для наших относительно низкочастотных целей наиболее важным является именно Q g . Открываем даташник на BLV740, при этом не забываем отметить у себя в голове, что эти транзисторы производит только SHANGHAI BELLING CO. Итак, что мы видим:

Нижнее значение Q g вообще не нормировано, впрочем как и типовое, указано только максимальное - 63 nC. Из этого напрашивается какой вывод?
Не понятно?
Ладно, подскажу чуточку - отбраковка производится только по максимальному значению, т.е. транзисторы выпущенные заводом SHANGHAI BELLING CO в январе и мае могут отличаться друг от друга, причем не только параметром Q g , а и всеми остальными.
Че делать?
Ну например можно вспомнить, что максимально одинаковые транзисторы могут получится только когда производится одна партия, т.е. когда "пилится" один кристалл кремния, в помещении одна и таже влажность и температура и обслуживает оборудование одна и таже смена обслюживающего персонала со своим идивидуальным запахом, влажностью рук и т.д.
Да, да, это все влияет на качество конечного кристалла и всего транзистора в целом и именно поэтому разброс параметров в одной партии не превышает 2%. Обратите внимание даже в одинаковых условиях нет одинаковых транзисторов, есть разброс не более 2-х %. Что уж говорить о транзисторах других партий.
Теперь включаем и прогреваем думатель...
Готово? Тогда вопрос - что произойдет, если у нас включены два транзистора в параллель, но у одного энергия затвора равна 30 nC, а у второго 60 nC?
Нет, первый не откроется в 2 раза быстрее - это зависит еще от резисторов в затворах, однако мысль потекла в нужном направлении - ПЕРВЫЙ ОТКРОЕТСЯ БЫСТРЕЕ ВТОРОГО. Другими словами первый транзистор возьме на себя не половину нагрузки а всю. Да, это будет длится какие то наносекунды, но даже это уже увеличит его температуру и в конечном итоге приведет через десяток-другой часов к перегреву и тепловому пробою. Про токовый пробой я не говорю - обычно технологический запас позволяет транзистору остаться живым, но работа на технологическом запасе это раскуривание кальяна на пороховой бочке.
Теперь случай чуток тяжелее - параллельно включено четыре транзистора. У первого Q g равно 50 nC, у второго - 55 nC, у третьего - 60 nC, у четвертого - 45 nC.
Вот тут уже говорить о тепловом пробое смысла не имеет -есть огромная вероятность того, что тот, кто открывается первым даже прогреться не успеет как слдеует - он принимает на себя нагрузку, предназначенную для четырех транзисторов.
Кто догадался какой транзистор кончится первым молодец, ну а кто не доехал, то возвращаемся на три абзаца вверх и чиатем второй раз.
Итак, надеюсь понятно, что транзисторы параллельно включать можно и нужно, только необходимо соблюдать определенные правила, чтобы не было лишних трат. Правило первое и самое простое:
ТРАНЗИСТОРЫ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ОДНОЙ ПАРТИИ, о производителе я вообще молчу - это само собой разумеется, поскольку даже нормированные параметры у заводов могут отличаться:

Итак, в итоге видно, что транзисторы от STMicroelectronics и Fairchild имеют типовое значение Q g , которое может отличаться как сторону уменьшения, так и увеличения, а вот Vishay Siliconix решил не заморачиваться и обозначил только максимальное значение, а остальное как Бог на душу положит.
Для тех же, кто часто балуется ремонтом всяких преобразователей или собирает мощные усилители, где в оконечном каскаде несколько транзисторов настоятельно рекомендую собрать стенд для отбраковки именно силовых транзисторов. Денег съест этот стенд не много, а вот нервы и бюджет будет экономить регулярно. Подробнее об этом стенде здесь:

Кстати сказать - видео можно просмотреть и сначала - есть некоторые моменты, которые любят пропускать начинающие и не очень опытные паяльщики.
Данный стенд универсален - позволяет отбраковать как биполярные транзисторы, так и полевые, причем обоих структур. Принцип отбраковки основан на выборе транзисторов с одинаковым коф усиления, причем это происходит при токе кллектора порядка 0,5-1 А. Этот же параметр для полевых транзисторов на прямую связан со скоростью открытия-закрытия.
Разработанно это устройство было ОЧЕНЬ давно, когда собирались на продажу услители Холтона на 800 Вт и в оконечном каскаде стояло по 8 штук IRFP240-IRFP9240. В брак уходило ОЧЕНЬ мало транзисторов, но это было до тех пор, пока их выпускала International Rectifier. Как только на рынке появились IRFP240-IRFP9240 Vishay Siliconix с усилителями Холтона в оригинале было покончено - из 10 транзисторов даже одной партии одинаковых попадалось лишь 2 или 3. Холтон был переведен на 2SA1943-2SC5200. Пока еще есть из чего выбирать.
Ну если с параллельным включением все более-менее прояснилось, то как быть с плечами преобразователя? Можно использовать в одном плече транзисторы из одной пратии, а во втором из другой?
Ответ я был дал, да вот только злоупотреблю уже прогретым Вашим думателем - разная скорость открытия-закрытия, одно плечо открыто дольше другого, а сердечник должен полностью размагничиваться и для этого на него нужно подавать ПЕРЕМЕННОЕ напряжение с одинаковой длительностью как отрицательной, так и положительной полуволны. Если этого не будет происходить, то некоторый момент времени намагниченный сердечник будет выстпать в роли АКТИВНОГО сопротивления, равного активному сопротивлению обмотки. Это когда на ОМах измеряешь сколько она Ом. Ну так и что будет?
Снова ехидно хихикаю...
Что до биполярных транзисторов, то тут решающим фактором является коф усиления. Именно от него зависит какой транзистор откроется быстрее и сильнее, он же на прямую влияет на ток перехода база-эмиттер.

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.

а) Индивидуальные резисторы
б) Общий резистор
в) Комбинированное включение резисторов
Рисунок 1.	Различные конфигурации схем управления затворами IGBT.

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.

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.

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.

Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.

Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удаётся найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор "кирпичиков" с известными свойствами гораздо легче строить "здание" того или другого устройства.

Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе, например, в ), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.

Одна из первых проблем, возникающих перед разработчиком, - увеличение мощности транзистора. Её можно решить параллельным включением транзисторов (). Токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров способствуют равномерному распределению нагрузки.

Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включённых транзисторов.

Защита от перегрузки по току наиболее просто решается введением дополнительного транзистора (). Недостаток такого самозащитного транзистора - снижение КПД из-за наличия датчика тока R. Возможный вариант усовершенствования показан на . Благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, а значит, и рассеиваемую на нём мощность.

Для защиты от обратного напряжения параллельно выводам эмиттер-коллектор обычно включают диод, как, например, в составных транзисторах типа КТ825, КТ827.

При работе транзистора в ключевом режиме, когда требуется быстрое его переключение из открытого состояния в закрытое и обратно, иногда применяют форсирующую RC-цепочку (). В момент открывания транзистора заряд конденсатора увеличивает его базовый ток, что способствует сокращению времени включения. Напряжение на конденсаторе достигает падения напряжения на базовом резисторе, вызванного током базы. В момент закрывания транзистора конденсатор, разряжаясь, способствует рассасыванию неосновных носителей в базе, сокращая время выключения.

Повысить крутизну транзистора (отношение изменения тока коллектора (стока) к вызвавшему его изменению напряжения на базе (затворе) при постоянном Uкэ Uси)) можно с помощью схемы Дарлингтона (). Резистор в цепи базы второго транзистора (может отсутствовать) применяют для задания тока коллектора первого транзистора. Аналогичный составной транзистор с высоким входным сопротивлением (благодаря применению полевого транзистора) представлен на . Составные транзисторы, представленные на рис. и , собраны на транзисторах разной проводимости по схеме Шиклаи.

Введение в схемы Дарлингтона и Шиклаи дополнительных транзисторов, как показано на рис. и , увеличивает входное сопротивление второго каскада по переменному току и соответственно коэффициент передачи . Применение аналогичного решения в транзисторах рис. и даёт соответственно схемы и , линеаризируя крутизну транзистора .

Широкополосный транзистор с высоким быстродействием представлен на . Повышение быстродействия достигнуто в результате уменьшения эффекта Миллера аналогично и .

"Алмазный" транзистор по патенту ФРГ представлен на . Возможные варианты его включения изображены на . Характерная особенность этого транзистора-отсутствие инверсии на коллекторе. Отсюда и увеличение вдвое нагрузочной способности схемы .

Мощный составной транзистор с напряжением насыщения около 1,5 В изображён на рис.24. Мощность транзистора может быть значительно увеличена путём замены транзистора VT3 на составной транзистор ().

Аналогичные рассуждения можно привести и для транзистора p-n-p типа, а также полевого транзистора с каналом p-типа. При использовании транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме возможны два варианта включения нагрузки: в цепь коллектора () или в цепь эмиттера ().

Как видно из приведённых формул, наименьшее падение напряжения, а соответственно и минимальная рассеиваемая мощность - на простом транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора. Применение составного транзистора Дарлингтона и Шиклаи с нагрузкой в цепи коллектора равнозначно. Транзистор Дарлингтона может иметь преимущество, если коллекторы транзисторов не объединять. При включении нагрузки в цепь эмиттера преимущество транзистора Шиклаи очевидно.

Литература:

1. Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977.
2. Патент США 4633100: Публ. 20-133-83.
3. А.с. 810093.
4. Патент США 4730124: Публ.22-133-88. - С.47.

1. Увеличение мощности транзистора.

Резисторы в цепях эмиттеров нужны для равномерного распределения нагрузки; уровень шумов уменьшается пропорционально квадратному корню из количества параллельно включённых транзисторов.

2. Защита от перегрузки по току.

Недостаток-снижение КПД из-за наличия датчика тока R.

Другой вариант - благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, и на нём будет рассеиваться меньшая мощность.

3. Составной транзистор с высоким выходным сопротивлением.

Из-за каскодного включения транзисторов значительно уменьшен эффект Миллера.

Другая схема - за счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор имеет ещё более высокие динамические характеристики (единственное условие - второй транзистор должен иметь более высокое напряжение отсечки). Входной транзистор можно заменить на биполярный.

4. Защита транзистора от глубокого насыщения.

Предотвращение прямого смещения перехода база-коллектор с помощью диода Шоттки.

Более сложный вариант - схема Бейкера. При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжения базы "лишний" базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение.

5. Схема ограничения насыщения относительно низковольтных ключей.

С датчиком тока базы.

С датчиком тока коллектора.

6. Уменьшение времени включения/выключения транзистора путём применения форсирующей RC цепочки.

7. Составной транзистор.

Схема дарлингтона.

Схема Шиклаи.