Cum să protejați MOSFET-urile - Noțiuni de bază explicate

În această postare învățăm în mod cuprinzător cum să protejăm mosfetele și să prevenim arderea mosfetelor în circuitele electronice, urmând câteva linii directoare de bază legate de aspectul corect al PCB-ului și manipularea manuală atentă a acestor dispozitive sensibile.

Introducere

Chiar și după ce conectați totul corect, veți găsi că mosfet-urile din circuitul dvs. devin HOT și suflă în câteva minute. Aceasta este o problemă destul de obișnuită cu care se confruntă majoritatea pasionaților noi și experimentați, în timp ce proiectează și optimizează circuite bazate pe MOSFET, în special cele care implică frecvențe înalte.

Evident, conectarea corectă a tuturor părților, conform detaliilor date, este principalul lucru care trebuie verificat și confirmat mai întâi înainte de a-ți asuma alte probleme, deoarece dacă lucrurile fundamentale nu sunt corect puse la punct, ar fi lipsit de sens urmărirea celorlalte bug-uri ascunse din circuitul tău .

Aplicația de bază de protecție Mosfet devine critică în mod special în acele circuite care implică frecvențe înalte în ordinea multor kHz. Acest lucru se datorează faptului că aplicațiile de înaltă frecvență necesită pornirea și oprirea rapidă (în ns) a dispozitivelor, care la rândul lor necesită implementarea eficientă a tuturor criteriilor asociate direct sau indirect cu comutarea respectivă.

Deci, care sunt principalele obstacole care cauzează comutarea necorespunzătoare sau ineficientă a mosfetelor, să învățăm în mod cuprinzător cum să protejăm mosfeturile cu următoarele puncte.

Scăpați de inductanța rătăcită:

Cea mai comună și principală eroare din que este inductanța rătăcită care poate fi ascunsă în circuitele de circuit. Când frecvența și curentul de comutare sunt ridicate, chiar și o cea mai mică creștere inutilă a căii de conectare care este pista PCB poate duce la inductanță interconectată care, la rândul său, poate afecta comportamentul mosfet drastic din cauza conducerii ineficiente, a tranzitorilor și a vârfurilor.

Pentru a scăpa de această problemă, se recomandă insistent să păstrați liniile mai largi și să păstrați dispozitivele CÂT MAI apropiate unii de alții și de IC-ul driverului care sunt folosiți pentru a conduce respectivele mosfete.

De aceea, SMD este preferat și este cel mai bun mod de a elimina inductanța încrucișată între componente, de asemenea, utilizarea PCB cu două fețe ajută la controlul problemei datorită conexiunilor sale scurte „imprimate prin gaură” între componente.

Chiar și înălțimea în picioare a mosfeturilor trebuie redusă la minimum prin introducerea cablului cât mai adânc în PCB, folosind SMD este probabil cea mai bună opțiune.

Știm cu toții că mosfet-urile includ condensatoare încorporate care necesită încărcare și descărcare pentru a face ca dispozitivul să conducă.

Practic, aceste condensatoare sunt conectate la poartă / sursă și poartă / golire. Mufetelor „nu le place” încărcarea și descărcarea întârziată prelungită a capacității sale, deoarece acestea sunt direct legate de eficiența sa.

Conectarea mosfetelor direct la o sursă logică de ieșire ar putea părea să rezolve această problemă, deoarece sursa logică ar schimba și scufunda cu ușurință capacitatea de la Vcc la zero rapid și invers, din cauza absenței oricărui obstacol în calea sa.

Cu toate acestea, implementarea considerației de mai sus ar putea duce, de asemenea, la generarea de tranzitori și vârfuri negative cu amplitudini periculoase în dren și poartă, ceea ce face ca mosfetul să fie vulnerabil la vârfurile generate din cauza comutării bruște a curentului ridicat între drenaj / sursă.

Acest lucru ar putea rupe cu ușurință separarea de siliciu între secțiunile mosfetului, redând un scurtcircuit în interiorul dispozitivului și deteriorându-l permanent.

Importanța rezistenței la poartă:

Pentru a scăpa de problema de mai sus, se recomandă utilizarea rezistorului de valoare mică în serie cu intrarea logică și poarta MOSFET.

Cu frecvențe relativ mai mici (50 Hz până la 1 kHz), valoarea ar putea fi între 100 și 470 ohmi, în timp ce pentru frecvențe peste aceasta valoarea ar putea fi cuprinsă între 100 ohmi, pentru frecvențe mult mai mari (10 kHz și peste) aceasta nu trebuie să depășească 50 ohmi .

Considerația de mai sus permite încărcarea exponențială sau încărcarea treptată a condensatorilor interni reducând sau diminuând șansele apariției unor vârfuri negative peste știfturile de scurgere / poartă.

Utilizarea diodelor inverse:

În considerația de mai sus, o încărcare exponențială a capacității de poartă reduce șansele de vârfuri, dar asta înseamnă, de asemenea, că descărcarea capacității implicate ar fi întârziată din cauza rezistenței în calea intrării logice, de fiecare dată când comută la zero logic. Cauzarea unei descărcări întârziate ar însemna forțarea mosfetului să conducă în condiții de stres, făcându-l inutil mai cald.

Includerea unei diode inverse paralele cu rezistența porții este întotdeauna o bună practică și pur și simplu abordează descărcarea întârziată a porții oferind o cale continuă pentru descărcarea porții prin diodă și în intrarea logică.

Punctele menționate mai sus referitoare la implementarea corectă a mosfeturilor pot fi ușor incluse în orice circuit pentru a proteja mosfetele de defecțiuni și arderi misterioase.

Chiar și în aplicații complicate, cum ar fi circuitele driverului de mosfet cu jumătate de punte sau pod complet, împreună cu unele protecții suplimentare recomandate.

Utilizarea unui rezistor între poartă și sursă

Deși nu am indicat această includere în imaginile anterioare, acest lucru este foarte recomandat pentru a proteja mosfetul de suflare în orice circumstanțe.

Deci, cum oferă un rezistor peste poartă / sursă o protecție garantată?

Ei bine, în mod normal, mosfetele au tendința de a se bloca ori de câte ori este aplicată o tensiune de comutare, acest efect de blocare poate fi uneori greu de revenit și, până când se aplică un curent de comutare opus, este deja prea târziu.

Rezistorul menționat asigură că de îndată ce semnalul de comutare este eliminat, mosfetul se poate opri rapid și previne o posibilă deteriorare.

Această valoare a rezistenței ar putea fi între 1K și 10K, cu toate acestea valori mai mici ar oferi rezultate mai bune și mai eficiente.

Protecție împotriva avalanșelor

MOSFET-urile se pot deteriora dacă temperatura de joncțiune crește brusc dincolo de limita tolerabilă din cauza condițiilor de supratensiune în diodele sale interne ale corpului. Această apariție este denumită avalanșă în MOSFET-uri.

Problema poate apărea atunci când este utilizată o sarcină inductivă pe partea de scurgere a dispozitivului și, în timpul perioadelor de oprire MOSFET, EMF inversă a inductorului care trece prin dioda corpului MOSFET devine prea mare, provocând o creștere bruscă a temperaturilor joncțiunii MOSFET și defalcarea acestuia.

Problema poate fi abordată prin adăugarea unei diode externe de mare putere peste terminalele de scurgere / sursă ale MOSFET-urilor, astfel încât curentul invers să fie împărțit între diode și generarea excesivă de căldură să fie eliminată.

Protejarea Mosfetelor din circuitele H-Bridge împotriva arderii

În timp ce utilizați un circuit de driver de punte complet, care implică un driver IC, cum ar fi IR2110, în plus față de cele de mai sus, următoarele aspecte ar trebui să fie plictisite în minte (voi discuta acest lucru în detalii într-unul din articolele mele viitoare în curând)

• Adăugați un condensator de decuplare aproape de pin-urile de alimentare IC ale driverului, astfel se vor reduce tranzitorii de comutare între pin-urile de alimentare interne, care la rândul lor vor împiedica logica nenaturată de ieșire la porțile MOSFET.
• Folosiți întotdeauna condensatori ESD de înaltă calitate, cu scurgeri reduse pentru condensatorul de bootstrapping și, eventual, utilizați câțiva dintre ei în paralel. Utilizați în cadrul valorii recomandate date în foaia de date.
• Conectați întotdeauna cele patru interconectări mosfet cât mai apropiate între ele. Așa cum s-a explicat mai sus, acest lucru va reduce inductanța rătăcită peste mosfete.
• ȘI, conectați un condensator de valoare relativ mare peste partea înaltă pozitivă (VDD) și masa laterală joasă (VSS), acest lucru va lega efectiv toate inductanțele rătăcite care se pot ascunde în jurul conexiunilor.
• Alăturați-vă la VSS, la masa laterală joasă a mosfetului și la masa logică de intrare împreună și terminați într-o singură masă groasă comună la terminalul de alimentare.
• Nu în ultimul rând, spălați cu atenție placa cu acetonă sau cu un agent anti-flux similar pentru a elimina toate urmele posibile ale fluxului de lipit pentru evitarea conexiunilor ascunse și a scurților.

Protejarea Mosfets-urilor împotriva supraîncălzirii

Regulatoarele de iluminat suferă adesea de eșecuri MOSFET. Majoritatea variatoarelor utilizate în aplicații industriale cu temperatură joasă de curent alternativ sunt închise și adesea încorporate în perete. Acest lucru poate provoca probleme de disipare a căldurii și poate duce la acumularea de căldură - ducând la un eveniment termic. De obicei, MOSFET-ul folosit pentru circuitele de reglare a iluminării eșuează în „mod rezistiv”.

O protecție termică cu reflux sau RTP de la TE Connectivity oferă un răspuns la defecțiunea MOSFET în aplicațiile de temperatură joasă de curent alternativ.

Acest dispozitiv acționează ca un rezistor de valoare mică la temperaturile normale de funcționare ale MOSFET. Este montat aproape direct pe MOSFET și, prin urmare, este capabil să simtă temperatura cu precizie. Dacă, din orice motiv, MOSFET se transformă într-o stare de temperatură ridicată, acest lucru este detectat de RTP și, la o temperatură predefinită, RTP se transformă într-un rezistor de mare valoare.

Acest lucru întrerupe efectiv alimentarea MOSFET-ului, salvându-l de la distrugere. Astfel, un rezistor cu un preț mai mic se sacrifică pentru a economisi un MOSFET mai scump. O analogie similară ar putea fi utilizarea unei siguranțe (material cu valoare redusă) în protejarea circuitelor mai complexe (de exemplu, un televizor).

Unul dintre cele mai interesante aspecte ale RTP de la TE Connectivity este capacitatea sa de a rezista la temperaturi enorme - până la 260 ° C. Acest lucru este surprinzător, deoarece schimbarea rezistenței (pentru a proteja MOSFET) are loc de obicei la aproximativ 140 ° C.

Această minune miraculoasă este realizată printr-un design inovator de TE Connectivity. RTP trebuie activat înainte de a începe să protejeze MOSFET-ul. Activarea electronică a RTP are loc după finalizarea lipirii de flux (atașament). Fiecare RTP trebuie să fie armat individual prin trimiterea unui curent specificat prin știftul de armare al RTP pentru un timp specificat.

Caracteristicile timp-curent fac parte din specificațiile RTP. Înainte de a fi armat, valoarea rezistorului RTP va urma caracteristicile specificate. Cu toate acestea, odată ce este armat, știftul de armare se va deschide electric - prevenind alte schimbări.

Este foarte important ca aspectul specificat de TE Connectivity să fie respectat atunci când proiectați și montați MOSFET și RTP pe PCB. Deoarece RTP trebuie să simtă temperatura MOSFET, rezultă în mod firesc că cele două ar trebui să rămână în imediata apropiere.

Rezistența RTP va permite până la 80A de curent la 120V AC prin MOSFET, atâta timp cât temperatura MOSFET rămâne sub temperatura deschisă a RTP, care poate fi între 135-145ºC.