MOSFETについて

質問

MOSFETを多数個並列接続した時にON/OFFの切り替えがうまくいきません。
全ての素子に電流が均等に流れるよう設計し、原理的に均等にしているのでどこかに過度な電流が流れるようにはなっていないと思います。

しかし、ONかOFFにしたときにどこか一つが壊れてしまう状況になっています。

これはどういうことが原因だと考えられるでしょうか？
やはり、全て均等になっていないということなんでしょうか？

回答No.7

bogen555

現在の設計手法は省エネ第一なんで、エネルギーを浪費するようなバランス抵抗を入れる手法が一般的なんてあり得ないことです。
例えば、数十V・500Aのスイッチングを考えて見ます。
このMOSFETを使うことにすると、IDMAX=195Aだから個数は
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfp4468pbf.pdf
N > Io/(0.8*0.8*IDMAX)=4.0
より4個並列にします。このときのドレイン電流IDは
ID = 500/4 = 125A
になります。
トータルの損失は、発熱を考えTc=100℃とすると、オン抵抗Ronは25℃のときの1.6倍（Fig 4.）だから
Ron = 1.6*2.6mΩ = 4.16mΩ
となり、4個並列だから損失PDは
PD = 500^2*0.00416/4 = 260W
です。
ヒートシンクはこのときのジャンクション温度が最高周囲温度でも100℃を超えないように選択します（多分強制空冷が必要）。
ターンオン時のアンバランスについては、ドライブをどのくらい高速にすればよいか、パルス電流が1120Aであることから、アンバランス持続許容時間はFig 8.とFig 13.からMOSFETの解説書を読めば求めることができます。

ついでにIGBTの場合は高圧しかないからこれ使うとすると、オン電圧を2Vとして
http://www.niec.co.jp/products/pdf/phmb600e6.pdf
PD = 500*2 = 1000W
とMOSFETに比べ素晴らしい浪エネですね。

バランス抵抗を入れる手法については、質問者がANo.2とANo.5に補足でバランス抵抗の計算法とどのくらい浪エネになるか質問するとエエでしょう。

回答No.6

bogen555

ANo.4ですが、不等号の向きが逆でした。
書き直すとこうなります。
VDSMAX > Vo÷0.8
IDMAX > {(Io÷0.8)÷N}÷0.8

「一般的にはソース抵抗を入れることで回避できる場合が多いです・・・」とゆう人もいますが、全く一般的ではないです。
スイッチングでそのようなことをする人は、真っ当な設計者にはいません。
詳しくはこの文献を読むとエエらしいです。
B. Forsythe：『Paralleling of Power MOSFETs』 IEEE-IAS Conference Record, Octorber 1981
わかりやすい資料が、ここにありました。
『パワー MOSFET の並列接続』
http://www.irf-japan.com/technical-info/appnotes/AN-941J.pdf

負荷にコンデンサがあるときは、こんなふうにするとエエです。
p4の「Figure 7. Inrush Current Limiting Circuit」
http://www.onsemi.jp/pub_link/Collateral/AND9093-D.PDF

なお、IGBTの場合は2個までですが、こんな風にするようです。
http://www.onsemi.jp/pub_link/Collateral/AND9100-D.PDF

GTOを薦める人もいるようですが、GTOはオンはともかく、オフが大変でシロートは近づかない方がエエです。
これはパワー半導体で有名なABBのGTOですが、オン電流4000Aで、ターンオフ時のゲート電流ピーク値は1100Aも必要です。
http://www05.abb.com/global/scot/scot256.nsf/veritydisplay/8cc139671380534dc12572340047b570/$file/5SGA%2040L4501_5SYA1208-02March%2005.pdf
しかも、4000Aの時のオン電圧は4.4Vですから、オン損失は17.6kWで放熱は強制水冷でしょうか？

回答No.5

kimamaoyaji

残念ながら全く均一な素子はありません、動作時間能僅かな遅れでも、１つの素子に電流が集中します、一般的にはソース抵抗を入れることで回避できる場合が多いです、原理は均等でも現物は均等では無いです、トランジスタのHFEが個々で違うのと同じく、FETも個々でことなり、しかも温度でもばらつきが出るのは仕方ないことです、単純にON/OFFなら、IGBTや更に大きな電流ならGTOなど別の素子を使った方が良いのでは？
GTOなら6000A程度までありますよ。

回答No.4

bogen555

ディレーテイングの件、わかりにくい表現だったんで追加します。
半導体素子を並列乃至直列にするときは、バラツキを考え同一ロットの素子を８掛けで使うのが常道です。
MOSFETのドレイン電圧・電流は最大定格（パルスではなく直流定格）の8割以下で使うのが常道です。
従って、ドレイン電圧・電流の最大定格がVDSMAX、IDMAXのMOSFETをN個並列にして、回路電圧Vo・電流Ioで使用する場合は、
VDSMAX×0.8 < Vo
IDMAX×0.8 < (Io÷0.8)÷N
の条件のMOSFETを使用します。
これ以上だと過負荷状態です。
当然、同一のヒートシンクに取り付けて、ケース温度を等しくします。

ドライブ回路についてですが、MOSFET入力はコンデンサ（値はCissではなく、Cin=Qg÷VGS）だから、高速にドライブする場合は、ゲート直列抵抗をRGとして、
|±IG| > N×VGS÷RG
以上の電流(±IG)を流せるドライブ回路が必要です。
特に-IGつまり吸い込み能力が重要で、これが貧弱だと壊れやすくなります。
具体的な数値が不明なんで何とも言えませんが、±10A出力ぐらいのドライブ回路で多分間に合うでしょう。
なお、コンデンサの充放電用なんで、ピーク電流は大きくても、電力は計算すればわかるがたいしたことはありません。

レスにありますが、スイッチング過渡時のサージ電圧については、最近のMOSFETはアバランシェ耐量を保証しているから無問題です。
ゲートのサージ電圧については、ドライブ回路設計とゲート配線の問題ですが、「全ての素子に電流が均等に流れるよう設計し、原理的に均等にしている」んだったら、あり得ないでしょう。

回答No.3

bogen555

> 全ての素子に電流が均等に流れるよう設計し、
> 原理的に均等にしているのでどこかに過度な電流が
> 流れるようにはなっていないと思います。
それだったら、壊れることはないはずです。
各MOSFETのゲート、ソース、ドレインの配線長が、ドライブ回路、グラウンド、負荷に対して等しくなっていますか？
配線長がパターン幅も含めて等しければ壊れません。
詳しいことはこの本に書いてあります。
http://www.amazon.co.jp/dp/4526024295

特にドライブ回路は重要です。
ゲート直近に直列に22～47Ωの直列抵抗が入っていないと、寄生発振で壊れることがあります。
それでも壊れるようだったら、過負荷になっているんでしょう。
ドレイン電圧は定格の8割以下にします。
ドレイン電流は（定格）÷（MOSFETの個数）の6割以下にします。

なお、バランス抵抗は、低オン抵抗のMOSFETを使う意味がないし、損失も増加するから、スイッチングでは入れません。

回答No.2

Gletscher

バランス抵抗は入れていますか？
無ければ電流がアンバランスになって特定の素子に過電流が流れるでしょうね。
また、電源電圧も保護回路も書かれてないので分かりませんが、ON→OFFの時にサージ電圧が発生して壊れていませんか？
いずれにしても壊れ方が、過電圧なのか過電流なのか過熱なのかを調べれば原因が分かるのじゃないですか？

回答No.1

KappNets

ゲート破壊でしょうか？　MOSのゲートは雷（切り替え時のゲート電圧の過渡現象）があると簡単に壊れます。