Hvordan beskytte MOSFETs - Grunnleggende forklart

I dette innlegget lærer vi omfattende hvordan du beskytter mosfeter og forhindrer mosfetforbrenning i elektroniske kretser ved å følge noen grunnleggende retningslinjer relatert til riktig PCB-layout og nøye manuell håndtering av disse sensitive enhetene.

Introduksjon

Selv etter at du har koblet alt til riktig, finner du at mosfetene i kretsen din blir VARME og blåser av innen få minutter. Dette er ganske vanlig problem for de fleste nye så vel som erfarne hobbyister mens de designer og optimaliserer mosfetbaserte kretser, spesielt de som involverer høye frekvenser.

Å koble alle delene riktig i henhold til de gitte detaljene er åpenbart det viktigste som må kontrolleres og bekreftes først før du antar andre problemer, for med mindre de grunnleggende tingene blir satt helt riktig, ville det være meningsløst å spore de andre skjulte feilene i kretsen din. .

Grunnleggende Mosfet-beskyttelsesapplikasjon blir kritisk spesielt i de kretsene som involverer høye frekvenser i størrelsesorden mange kHz. Dette er fordi høyfrekvente applikasjoner krever rask (innen ns) slå PÅ og AV av enhetene som igjen krever effektiv implementering av alle kriteriene knyttet direkte eller indirekte til den aktuelle byttingen.

Så hva er de viktigste hindringene som forårsaker feil eller ineffektiv bytte av mosfeter, la oss lære omfattende hvordan du beskytter mosfeter med følgende punkter.

Kvitt deg med induktans:

Den vanligste og viktigste feilen i køen er den villfarne induktansen som kan være skjult i kretsløypene. Når svitsjefrekvensen og strømmen er høy, kan til og med en liten unødvendig økning i tilkoblingsbanen som er PCB-sporet resultere i sammenkoblet induktans som igjen kan påvirke mosfet-oppførselen drastisk på grunn av ineffektiv ledning, transienter og pigger.

For å bli kvitt dette problemet, anbefales det på det sterkeste å holde sporene bredere og å holde enhetene SOM NÆRMULIGT for hverandre og for driver-IC som brukes til å kjøre de respektive mosfeter.

Derfor er SMD foretrukket og er den beste måten å eliminere kryssinduktans på tvers av komponentene. Også bruk av dobbeltsidig kretskort hjelper med å kontrollere problemet på grunn av sine korte 'utskrevne hull' -forbindelser på tvers av komponentene.

Selv mosfets ståhøyde må minimeres ved å sette ledningen så dypt inn i PCB, ved å bruke SMD er sannsynligvis det beste alternativet.

Vi vet alle at mosfeter inkluderer innebygde kondensatorer som krever lading og utlading for å få enheten til å lede.

I utgangspunktet er disse kondensatorene koblet over porten / kilden og porten / avløpet. Mosfets 'liker ikke' langvarig forsinket lading og utlading av kapasitansen siden disse er direkte relatert til effektiviteten.

Å koble mosfetene direkte til en logisk kildeutgang kan synes å løse dette problemet, fordi logikkilden enkelt vil bytte og senke kapasitansen fra Vcc til null raskt, og omvendt på grunn av fravær av noen hindring i veien.

Imidlertid kan implementering av ovennevnte betraktning også føre til generering av transienter og negative pigger med farlige amplituder over avløpet og porten, noe som gjør mosfetten sårbar for de genererte piggene på grunn av plutselig høy strømbytte over avløp / kilde.

Dette kan lett bryte silisiumseparasjonen mellom seksjonene av mosfet, noe som gir kortslutning inne i enheten, og skade den permanent.

Viktigheten av portmotstand:

For å bli kvitt problemet ovenfor anbefales det å bruke motstand med lav verdi i serie med logikkinngangen og mosfetporten.

Med relativt lave frekvenser (50 Hz til 1 kHz) kan verdien være hvor som helst mellom 100 og 470 ohm, mens for frekvenser over dette kan verdien være innenfor 100 ohm, for mye høyere frekvenser (10 kHz og over) må denne ikke overstige 50 ohm .

Ovennevnte overveielse tillater eksponentiell lading eller gradvis lading av de interne kondensatorene, og reduserer eller sløser sjansene for negative pigger over avløps- / portpinnene.

Bruke omvendte dioder:

I den ovennevnte betraktningen reduserer en eksponentiell lading av portkapasitansen sjansene for pigger, men det betyr også at utladningen av den involverte kapasitansen vil bli forsinket på grunn av motstanden i banen til logikkinngangen, hver gang den bytter til logisk null. Å forårsake en forsinket utslipp vil bety å tvinge mosfetten til å oppføre seg under stressende forhold, noe som gjør det unødvendig varmere.

Å inkludere en omvendt diode parallelt med portmotstanden er alltid en god praksis, og takler ganske enkelt forsinket utladning av porten ved å gi en kontinuerlig bane for portutløpet gjennom dioden og inn i logikkinngangen.

Ovennevnte punkter angående korrekt implementering av mosfeter kan enkelt inkluderes i hvilken som helst krets for å beskytte mosfets mot mystiske feil og brenning.

Selv i kompliserte applikasjoner som halvbro- eller fullbro-mosfet-driverkretser sammen med noen ekstra anbefalte beskyttelser.

Bruke en motstand mellom port og kilde

Selv om vi ikke har angitt denne inkluderingen i de foregående bildene, anbefales dette sterkt for å beskytte mosfetten mot å blåse under alle omstendigheter.

Så hvordan gir en motstand på tvers av porten / kilden en garantert beskyttelse?

Normalt har mosfeter en tendens til å låses sammen når en bryterspenning påføres, denne låsende effekten kan noen ganger være vanskelig å reversere, og når en motsatt bryterstrøm påføres, er det allerede for sent.

Den nevnte motstanden sørger for at så snart koblingssignalet er fjernet, kan mosfet raskt slå seg AV og forhindre mulig skade.

Denne motstandsverdien kan være hvor som helst mellom 1K og 10K, men lavere verdier vil gi bedre og mer effektive resultater.

Skredbeskyttelse

MOSFET-er kan bli skadet hvis koblingstemperaturen plutselig øker utover den tålelige grensen på grunn av overspenningsforhold på tvers av de indre kroppsdioder. Denne forekomsten blir betegnet som skred i MOSFET.

Problemet kan oppstå når en induktiv belastning brukes på avløpssiden av enheten, og i løpet av MOSFET-bryteren blir induktorens omvendte EMF som passerer gjennom MOSFET-kroppsdioden for høy, noe som forårsaker en plutselig økning i MOSFETs overgangstemperaturer, og dens sammenbrudd.

Problemet kan løses ved å legge til en ekstern høyeffektdiode over avløps- / kildeterminalene på MOSFETene, slik at motstrømmen deles over diodene, og overflødig varmeutvikling elimineres.

Beskytte mosfeter i H-Bridge-kretser mot brenning

Mens du bruker en full brodriverkrets som involverer en driver-IC som IR2110 i tillegg til det ovennevnte, bør følgende aspekter være kjedelige i tankene (jeg vil snart diskutere dette i en av mine kommende artikler)

• Legg til en frakoblingskondensator nær driverens IC-forsynings pinouts, dette vil redusere svitsjetransientene over de interne forsynings pinouts som igjen vil forhindre unaturlig utgangslogikk til mosfetportene.
• Bruk alltid høykvalitets lav ESD, kondensatorer med lav lekkasje for bootstrapping kondensatoren, og bruk muligens et par av dem parallelt. Bruk innenfor den anbefalte verdien gitt i databladet.
• Koble alltid de fire mosfet-koblingene så nær hverandre som mulig. Som forklart over vil dette redusere induktansen på tvers av myggene.
• OG, koble en relativt stor verdikondensator over den høye side positive (VDD), og den lave siden bakken (VSS), dette vil effektivt jorde all induktans som kan gjemme seg rundt tilkoblingene.
• Bli med VSS, mosfet lav side bakken og den logiske inngangsplassen sammen, og avsluttes til en enkelt felles tykk bakke til forsyningsterminalen.
• Sist men ikke minst vask brettet grundig med aceton eller lignende antifluksmiddel for å fjerne alle mulige spor av loddestrømmen for å unngå skjulte forbindelser og shorts.

Beskytte mosfeter fra overoppheting

Lysdimmere lider ofte av MOSFET-feil. De fleste dimmere som brukes i industrielle applikasjoner med lav temperatur AC er lukket og ofte innebygd i veggen. Dette kan forårsake problemer med varmespredning, og kan føre til varmeoppbygging - noe som fører til en termisk hendelse. Vanligvis mislykkes MOSFET som brukes til lysdimmerkretsene i 'resistiv modus'.

En reflekterbar termisk beskyttelse eller RTP fra TE Connectivity gir svar på MOSFET-feil i lavtemperatur AC-applikasjoner.

Denne enheten fungerer som en motstand med lav verdi ved de normale driftstemperaturene til MOSFET. Den er montert nesten direkte på MOSFET, og er derfor i stand til å føle temperaturen med presisjon. Hvis MOSFET av en eller annen grunn kjører inn i en temperatur med høy temperatur, blir dette registrert av RTP, og ved en forhåndsdefinert temperatur endres RTP til en motstand med høy verdi.

Dette kutter effektivt strømmen til MOSFET, og sparer den fra ødeleggelse. Dermed ofrer en motstand til lavere priser seg selv for å spare en dyrere MOSFET. En lignende analogi kan være bruken av en sikring (lavverdimateriale) for å beskytte mer komplekse kretser (f.eks. Et fjernsyn).

En av de mest interessante aspektene ved RTP fra TE Connectivity er dens evne til å tåle enorme temperaturer - opp til 260 ° C. Dette er overraskende siden motstandsendringen (for å beskytte MOSFET) vanligvis skjer ved rundt 140 ° C.

Denne mirakuløse bragden oppnås gjennom innovativ design av TE Connectivity. RTP må aktiveres før den begynner å beskytte MOSFET. Den elektroniske aktiveringen av RTP skjer etter at strømningslodningen (vedlegg) er fullført. Hver RTP må være tilkoblet individuelt ved å sende en spesifisert strøm gjennom tilkoblingsstiften til RTP i en spesifisert tid.

Tidsstrømskarakteristikkene er en del av spesifikasjonene til RTP. Før den er tilkoblet, vil verdien av motstanden til RTP følge de spesifiserte egenskapene. Når den er tilkoblet, vil tilkoblingspinnen imidlertid bli elektrisk åpen - og forhindrer ytterligere endringer.

Det er veldig viktig at utformingen spesifisert av TE Connectivity følges når du designer og monterer MOSFET og RTP på PCB. Siden RTP må registrere temperaturen på MOSFET, følger det naturlig at de to skal være i umiddelbar nærhet.

RTP-motstanden tillater opptil 80A strøm ved 120V AC gjennom MOSFET så lenge temperaturen til MOSFET forblir under RTPs åpne temperatur, som kan være mellom 135-145 ° C.