Ako chrániť MOSFET - vysvetlené základy

V tomto príspevku sa komplexne učíme, ako chrániť mosfety a zabrániť ich spaľovaniu v elektronických obvodoch, a to podľa niektorých základných pokynov týkajúcich sa správneho rozloženia dosiek plošných spojov a starostlivého manuálneho zaobchádzania s týmito citlivými zariadeniami.

Úvod

Aj po správnom pripojení všetkého nájdete mosfety vo vašom obvode HORKÉ a po pár minútach odfúknu. Toto je celkom bežný problém, s ktorým sa stretáva väčšina nových i skúsených fandov pri navrhovaní a optimalizácii obvodov založených na mosfetoch, najmä tých, ktoré zahŕňajú vysoké frekvencie.

Je zrejmé, že správne pripojenie všetkých častí podľa daných detailov je hlavná vec, ktorú je potrebné najskôr skontrolovať a potvrdiť pred prijatím ďalších problémov, pretože pokiaľ nebudú základné veci uvedené na správnu mieru, bolo by nezmyselné sledovať ďalšie skryté chyby vo vašom obvode .

Aplikácia základnej ochrany Mosfet sa stáva kritickou najmä v tých obvodoch, ktoré zahŕňajú vysoké frekvencie rádovo veľa kHz. Je to preto, lebo vysokofrekvenčné aplikácie vyžadujú rýchle (do ns) zapnutie a vypnutie zariadení, čo si zase vyžaduje efektívnu implementáciu všetkých kritérií priamo alebo nepriamo súvisiacich s príslušným prepínaním.

Takže aké sú hlavné prekážky, ktoré spôsobujú nesprávne alebo neefektívne prepínanie mosfetov, poďme sa komplexne naučiť, ako chrániť mosfety pomocou nasledujúcich bodov.

Zbavte sa túlavej indukčnosti:

Najbežnejšou a najdôležitejšou chybou v rade je rozptýlená indukčnosť, ktorá môže byť skrytá v obvodoch. Keď sú spínacia frekvencia a prúd vysoké, môže aj najmenšie zbytočné zvýšenie spojovacej cesty, ktorou je dráha PCB, viesť k vzájomne prepojenej indukčnosti, ktorá môže následne drasticky ovplyvniť správanie mosfetu v dôsledku neefektívneho vedenia, prechodových javov a hrotov.

Aby sme sa zbavili tohto problému, dôrazne sa odporúča udržiavať stopy širšie a udržiavať zariadenia AKO ZATVORENÉ tak, ako je to možné, navzájom a voči ovládaču IC, ktoré sa používajú na pohon príslušných mosfetov.

Preto sa uprednostňuje SMD, ktorý je najlepším spôsobom eliminácie krížovej indukčnosti naprieč komponentmi. Taktiež použitie obojstrannej PCB pomáha kontrolovať problém vďaka krátkym spojeniam „tlačeným cez otvor“ naprieč komponentmi.

Aj výšku stojana mosfetov je potrebné znížiť na minimum zasunutím elektródy čo najhlbšie do PCB, použitie SMD je pravdepodobne najlepšou voľbou.

Všetci vieme, že mosfety obsahujú zabudované kondenzátory, ktoré vyžadujú nabitie a vybitie, aby zariadenie fungovalo.

V podstate sú tieto kondenzátory pripojené cez bránu / zdroj a bránu / odtok. Mosfety „nemajú radi“ predĺžené oneskorené nabíjanie a vybíjanie svojej kapacity, pretože priamo súvisia s jeho účinnosťou.

Zdá sa, že tento problém vyrieši priame pripojenie mosfetov na výstup logického zdroja, pretože logický zdroj by ľahko prepol a rýchlo znížil kapacitu z Vcc na nulu a naopak kvôli absencii prekážky v ceste.

Implementácia vyššie uvedenej úvahy by však tiež mohla viesť k vytváraniu prechodných javov a negatívnych špičiek s nebezpečnými amplitúdami cez odtok a bránu, vďaka čomu bude mosfet zraniteľný voči generovaným špičkám v dôsledku náhleho prepínania vysokého prúdu cez odtok / zdroj.

To by mohlo ľahko narušiť oddelenie kremíka medzi časťami mosfetu, čo by spôsobilo skrat vo vnútri zariadenia a jeho trvalé poškodenie.

Dôležitosť odporu brány:

Aby sme sa zbavili vyššie uvedeného problému, odporúča sa používať rezistor s nízkou hodnotou v sérii s logickým vstupom a bránou MOSFET.

Pri relatívne nižších frekvenciách (50 Hz až 1 kHz) môže byť hodnota kdekoľvek medzi 100 a 470 ohmmi, zatiaľ čo pri frekvenciách nad touto hodnotou môže byť hodnota v rozmedzí 100 ohmov, pri oveľa vyšších frekvenciách (10 kHz a vyšších) to nesmie presiahnuť 50 ohmov. .

Vyššie uvedená úvaha umožňuje exponenciálne nabíjanie alebo postupné nabíjanie vnútorných kondenzátorov, ktoré znižujú alebo znižujú pravdepodobnosť negatívnych hrotov cez kolíky odtoku / hradla.

Používanie reverzných diód:

Vo vyššie uvedenej úvahe exponenciálne nabíjanie hradlovej kapacity znižuje šance na hroty, ale to tiež znamená, že vybíjanie zapojenej kapacity by sa oneskorilo v dôsledku odporu v ceste logického vstupu, zakaždým, keď sa prepne na logickú nulu. Spôsobenie oneskoreného vybitia by znamenalo prinútiť mosfet, aby konal v stresových podmienkach, a zbytočne sa tak oteplilo.

Zahrnutie reverznej diódy rovnobežnej s hradlovým rezistorom je vždy dobrým zvykom a jednoducho rieši oneskorené vybitie hradla poskytnutím nepretržitej cesty pre vybíjanie hradla cez diódu a do logického vstupu.

Vyššie uvedené body týkajúce sa správnej implementácie mosfetov je možné ľahko zahrnúť do ľubovoľného obvodu, aby boli mosfety chránené pred záhadnými poruchami a spálením.

Dokonca aj v komplikovaných aplikáciách, ako sú obvody budiča mosfetu s polovičným alebo úplným mostom spolu s niektorými ďalšími odporúčanými ochranami.

Použitie odporu medzi bránou a zdrojom

Aj keď sme toto zaradenie na predchádzajúcich obrázkoch neuviedli, dôrazne sa to odporúča, aby bol mosfet chránený pred vyfukovaním za každých okolností.

Ako teda poskytuje zaručenú ochranu rezistor cez bránu / zdroj?

Normálne majú mosfety tendenciu blokovať sa vždy, keď je pripojené spínacie napätie, tento efekt blokovania môže byť niekedy ťažké vrátiť späť, a kým je aplikovaný opačný spínací prúd, je už neskoro.

Uvedený odpor zaisťuje, že akonáhle je spínací signál odstránený, mosfet sa dokáže rýchlo vypnúť a zabrániť možnému poškodeniu.

Táto hodnota odporu môže byť kdekoľvek medzi 1K a 10K, avšak nižšie hodnoty by poskytli lepšie a efektívnejšie výsledky.

Lavínová ochrana

MOSFET sa môžu poškodiť, ak sa jeho teplota spoja náhle zvýši nad únosný limit v dôsledku podmienok prepätia na jeho vnútorných diódach tela. Tento výskyt sa v MOSFEToch označuje ako lavína.

Problém môže nastať, keď sa na odtokovej strane zariadenia použije indukčné zaťaženie a počas období vypínania MOSFET sa reverzný EMF induktora prechádzajúci cez diódu tela MOSFET príliš zvýši, čo spôsobí náhly nárast teplôt spojenia MOSFET a jeho členenie.

Problém je možné vyriešiť pridaním externej vysoko výkonnej diódy cez odtokové / zdrojové svorky MOSFET, aby sa reverzný prúd zdieľal medzi diódami a eliminovalo sa prebytočné vytváranie tepla.

Ochrana mosfetov v obvodoch H-Bridge pred spálením

Pri použití úplného mostíkového obvodu vodiča s integrovaným obvodom vodiča, ako je IR2110, je potrebné mať na pamäti nasledujúce aspekty (čoskoro sa o tom podrobne zmienim v jednom z mojich nadchádzajúcich článkov).

• Pridajte oddeľovací kondenzátor blízko napájacích pinoutov ovládača IC, čo zníži prechodové spínanie cez vnútorné napájacie pinouty, čo zabráni neprirodzenej výstupnej logike brán mosfet.
• Pre bootstrapovací kondenzátor vždy používajte vysoko kvalitné kondenzátory s nízkym ESD a nízkym únikom a prípadne ich používajte paralelne. Použite v rámci odporúčanej hodnoty uvedenej v údajovom liste.
• Štyri prepojovacie články MOSFET vždy pripájajte čo najbližšie k sebe. Ako je vysvetlené vyššie, zníži sa to túlavá indukčnosť cez mosfety.
• A pripojte kondenzátor s relatívne veľkou hodnotou cez kladnú stranu (VDD) na vysokej strane a zem (VSS) na nízkej strane, čo účinne uzemní celú túlavú indukčnosť, ktorá sa môže skrývať okolo spojov.
• Pripojte sa k VSS, uzemneniu nízkej strany mosfetu a uzemneniu logického vstupu dohromady a ukončite ich v jedinom spoločnom silnom uzemnení k napájaciemu terminálu.
• V neposlednom rade dosku dôkladne umyte acetónom alebo podobným prostriedkom proti taveniu, aby ste odstránili všetky možné stopy taviva po spájkovaní, aby ste sa vyhli skrytým prepojeniam a skratom.

Ochrana mosfetov pred prehriatím

Stmievače osvetlenia často trpia poruchami MOSFET. Väčšina stmievačov používaných v nízkoteplotných priemyselných aplikáciách na striedavý prúd je uzavretá a často zabudovaná do steny. To môže spôsobiť problémy s odvodom tepla a môže viesť k hromadeniu tepla - čo vedie k tepelnej udalosti. MOSFET používaný pre obvody stmievača osvetlenia zvyčajne zlyhá v „odporovom režime“.

Reflowable tepelná ochrana alebo RTP od TE Connectivity poskytuje odpoveď na zlyhanie MOSFET v nízkoteplotných aplikáciách striedavého prúdu.

Toto zariadenie pri normálnych prevádzkových teplotách MOSFET funguje ako rezistor s nízkou hodnotou. Je namontovaný takmer priamo na MOSFET, a je preto schopný snímať teplotu s presnosťou. Ak sa MOSFET z nejakého dôvodu dostane do stavu vysokej teploty, zaznamená to RTP a pri vopred definovanej teplote sa RTP zmení na rezistor vysokej hodnoty.

Toto efektívne preruší napájanie MOSFETu a ochráni ho pred zničením. Rezistor s nižšou cenou sa teda obetuje, aby zachránil drahší MOSFET. Podobnou analógiou by mohlo byť použitie poistky (materiálu s nízkou hodnotou) pri ochrane zložitejších obvodov (napr. Televízie).

Jedným z najzaujímavejších aspektov RTP od TE Connectivity je jeho schopnosť odolávať enormným teplotám - až do 260 ° C. To je prekvapujúce, pretože zmena odporu (na ochranu MOSFET) sa zvyčajne vyskytuje pri teplote okolo 140 ° C.

Tento zázračný výkon sa dosahuje inovatívnym dizajnom spoločnosti TE Connectivity. RTP musí byť aktivovaný skôr, ako začne chrániť MOSFET. Elektronická aktivácia RTP nastáva po dokončení prietokového spájkovania (pripojenia). Každý RTP musí byť individuálne zapnutý zaslaním určeného prúdu cez strážiaci kolík RTP na stanovený čas.

Charakteristiky časového prúdu sú súčasťou špecifikácií RTP. Pred zapnutím bude hodnota odporu RTP sledovať zadané charakteristiky. Len čo je však ozbrojený, aktivuje sa elektricky otvorený zaisťovací kolík - čo zabráni ďalším zmenám.

Je veľmi dôležité, aby ste pri navrhovaní a montáži MOSFET a RTP na PCB postupovali podľa rozloženia špecifikovaného TE Connectivity. Pretože RTP musí snímať teplotu MOSFET, prirodzene z toho vyplýva, že tieto dva by mali zostať v tesnej blízkosti.

Odpor RTP umožní až 80A prúdu pri 120V AC cez MOSFET, pokiaľ teplota MOSFET zostane pod otvorenou teplotou RTP, ktorá môže byť medzi 135-145 ° C.