Группа транзистор

Когда говорят ?группа транзистор?, многие сразу представляют себе просто набор однотипных компонентов в схеме. Но на практике, особенно в силовой электронике, это понятие куда глубже и каверзнее. Частая ошибка — считать, что достаточно взять несколько MOSFET или IGBT с близкими параметрами из даташита, и группа будет работать идеально. Реальность, как обычно, вносит свои коррективы, и здесь начинается самое интересное, а иногда и дорогостоящее.

Параметрический разброс — не абстракция, а головная боль

В теории всё гладко: подбираешь транзисторы с одинаковым Vds, Id и Rds(on). На деле же, даже в одной партии от одного производителя разброс по пороговому напряжению Vgs(th) или внутренней ёмкости может быть значительным. Мы в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий постоянно сталкиваемся с этим на этапе контроля качества для нашей линейки MOSFET и биполярных транзисторов. Клиент присылает запрос на группу для инвертора, а потом удивляется, почему один ключ греется сильнее. А причина часто в том, что при параллельном включении ток распределяется неравномерно именно из-за этого разброса.

Был у нас показательный случай с разработкой импульсного блока питания. Заказчик настаивал на использовании ?группы транзистор? из четырёх наших MOSFET, но сэкономил на драйверах, поставив один на всех. В итоге — разные времена включения/выключения, сквозные токи и, как следствие, выход из строя двух ключей. Пришлось переделывать, ставить индивидуальные затворные резисторы для балансировки, что, конечно, увеличило площадь платы. Вывод простой: группа — это не только сами кристаллы, но и схема управления, которая должна этот разброс компенсировать.

Иногда помогает предварительный отбор (биннинг) по ключевым параметрам. На нашем производстве в Жугао для ответственных заказов мы так и делаем — формируем группы из кристаллов, протестированных в близком рабочем режиме. Это добавляет этап, но радикально повышает надёжность конечного устройства. Особенно это критично для силовых модулей, где несколько чипов запаиваются на одну подложку.

Тепловой режим — здесь кроется 80% проблем

Самое большое заблуждение — считать тепловые расчеты для одиночного транзистора и просто экстраполировать их на группу. Если ключи стоят на одном радиаторе, они греют друг друга. Тепловая связь — фактор, который в симуляторах часто идеализирован. На практике даже микронные зазоры под термопрокладкой или неравномерное нанесение термопасты дают разницу в тепловом сопротивлении в несколько градусов, а для кремния это уже много.

Мы наблюдали это при тестировании прототипа выпрямительного модуля на диодах Шоттки. Три прибора в общем корпусе, казалось бы, смонтированы идентично. Но тепловизор показывал разницу в температуре кристаллов до 15°C при номинальной нагрузке. Причина оказалась в микроскопическом перекосе монтажной платы. Пришлось дорабатывать конструктив корпуса и технологию пайки, чтобы обеспечить равномерный прижим. Это тот самый момент, когда теория пасует перед практикой сборки.

Поэтому сейчас, обсуждая с инженерами заказчика применение группы наших тиристоров или IGBT, мы всегда уточняем: как будет организован теплоотвод? Будет ли это общая медная шина или индивидуальные фланцы? Часто оптимальным решением оказывается не увеличение числа компонентов в группе, а выбор одного более мощного прибора. Меньше точек отказа, проще тепловая конструкция.

Динамическая балансировка в высокочастотных схемах

С повышением частоты коммуляции паразитные параметры выходят на первый план. Индуктивности выводов и монтажа уже не позволяют считать, что напряжение на всех транзисторах группы одинаковое в каждый момент времени. Возникают высокочастотные колебания, которые могут приводить к превышению максимального допустимого напряжения Vds.

При разработке ВЧ-генератора для индукционного нагрева мы столкнулись с тем, что в группе из четырёх полевых транзисторов отказы шли по цепочке, один за другим. Осциллограф показал выбросы напряжения на крайних в цепочке приборах. Проблему решили симметричной разводкой силовых шин (кельвин-подключение) и установкой керамических конденсаторов непосредственно на выводы каждого стока и истока. Это классический приём, но о нём часто забывают в погоне за компактностью платы.

Наш технолог как-то сказал: ?Группа транзистор на высокой частоте — это не электрическая, а электромагнитная задача?. И он был прав. Приходится думать о геометрии токовых петель, взаимной индуктивности, расположении снабберных цепей. Иногда эффективнее разбить одну большую группу на несколько меньших, разнесённых на плате, но с индивидуальными согласованными цепями управления.

Надёжность и деградация: группа стареет не равномерно

Ещё один аспект, о котором редко задумываются на этапе проектирования, — это деградация параметров со временем. В группе транзисторов этот процесс почти никогда не идёт синхронно. Один ключ может начать деградировать быстрее из-за initially чуть более высокой температуры или микроскопического дефекта кристалла. Его сопротивление канала растёт, он начинает греться ещё сильнее, забирая на себя меньшую долю тока, что увеличивает нагрузку на соседей. Возникает лавинообразный процесс, ведущий к отказу всей группы.

Для критичных применений мы иногда рекомендуем схему активного мониторинга тока через каждый ключ в группе. Да, это усложняет и удорожает схему, но для тяжёлых промышленных инверторов или систем бесперебойного питания это может спасти от катастрофического отказа. На нашем сайте wfdz.ru в разделе с техническими заметками есть несколько примеров таких решений, основанных на опыте отказов и последующего анализа.

Интересно, что иногда более надёжной оказывается группа, собранная из приборов не из одной партии, а из разных, но прошедших тщательный отбор. Это снижает вероятность, что все они имеют один и тот же скрытый технологический дефект. Такой подход требует от производителя, как от нас, глубокого контроля процесса и traceability каждой партии кремниевых пластин.

Выбор компонентов: не все транзисторы созданы для работы в группе

Не каждый тип транзистора одинаково хорошо подходит для параллельного включения. Например, MOSFET с положительным температурным коэффициентом по сопротивлению канала (что характерно для современных высоковольтных моделей) в этом плане более ?дружелюбны? — при нагреве одного прибора его сопротивление растёт, и ток перераспределяется на более холодные соседи. Это обеспечивает естественную балансировку.

С биполярными транзисторами или IGBT история сложнее. У них может быть отрицательный температурный коэффициент, что ведёт к тепловому разгону. Для работы в группе они требуют обязательных эмиттерных балансировочных резисторов, которые, впрочем, вносят дополнительные потери. Когда клиенты с портала wfdz.ru запрашивают компоненты для параллельного включения, мы всегда уточняем тип схемы и, исходя из этого, предлагаем либо линейку MOSFET, оптимизированных по Vgs(th), либо IGBT с рекомендациями по схемотехнике балансировки.

Кстати, о нашей компании. Базируясь в Жугао, ?краю долголетия?, мы фокусируемся не на гигантских тиражах самых дешёвых компонентов, а на отработке технологических процессов именно для надёжных, предсказуемых приборов. Это включает в себя и тестирование в режимах, имитирующих работу в группе — с циклами неравномерного нагрева и динамической нагрузкой. Потому что знать параметры из даташита — это одно, а быть уверенным, что двадцать транзисторов проработают десять лет в одном инверторе — совсем другое.

В итоге, создание работоспособной и долговечной группы транзисторов — это всегда компромисс. Компромисс между стоимостью компонентов и стоимостью дополнительных элементов балансировки, между компактностью платы и качеством теплового режима, между простотой схемы и её надёжностью. Готовых рецептов нет, есть только понимание физики процессов, внимательность к деталям монтажа и здоровый скептицизм к идеальным графикам из симулятора. И, конечно, выбор компонентов у производителя, который эту проблему понимает и может предложить не просто ?транзистор?, а элемент, готовый к работе в жёстких условиях реальной группы.