Jak chránit MOSFETy - vysvětleny základy

V tomto příspěvku se komplexně učíme, jak chránit MOSFETY a předcházet jejich hoření v elektronických obvodech dodržováním některých základních pokynů týkajících se správného rozložení PCB a pečlivé ruční manipulace s těmito citlivými zařízeními.

Úvod

I po správném připojení všeho zjistíte, že se mosfety ve vašem obvodu HORKÉ a během několika minut odfouknou. To je docela běžný problém, kterému čelí většina nových i zkušených fandů při navrhování a optimalizaci obvodů založených na mosfetech, zejména těch, které zahrnují vysoké frekvence.

Je zřejmé, že správné připojení všech částí podle daných detailů je hlavní věc, kterou je třeba nejprve zkontrolovat a potvrdit před přijetím dalších problémů, protože pokud nebudou základní věci dány absolutně v pořádku, bylo by nesmyslné sledovat další skryté chyby ve vašem obvodu .

Základní aplikace ochrany Mosfet se stává kritickou zejména v těch obvodech, které zahrnují vysoké frekvence řádově mnoho kHz. Je to proto, že vysokofrekvenční aplikace vyžadují rychlé (do ns) zapnutí a vypnutí zařízení, což zase vyžaduje efektivní implementaci všech kritérií souvisejících přímo nebo nepřímo s příslušným přepínáním.

Jaké jsou hlavní překážky, které způsobují nesprávné nebo neúčinné přepínání mosfetů, naučme se komplexně, jak chránit mosfety pomocí následujících bodů.

Zbavte se zbloudilé indukčnosti:

Nejběžnější a hlavní chybou ve frontě je zbloudilá indukčnost, která může být skryta ve stopách obvodu. Když jsou spínací frekvence a proud vysoké, může i nepatrné zbytečné zvýšení spojovací cesty, kterou je dráha desky plošných spojů, vést k vzájemně propojené indukčnosti, což zase může drasticky ovlivnit chování mosfetu kvůli neefektivnímu vedení, přechodovým jevům a špičkám.

Abychom se tohoto problému zbavili, důrazně se doporučuje udržovat stopy širší a udržovat zařízení JAKO CLOSE AS POSSIBLE k sobě navzájem ak ovladači IC, který se používá k řízení příslušných mosfetů.

Proto je upřednostňována SMD a je to nejlepší způsob, jak eliminovat křížovou indukčnost napříč komponentami. Také použití oboustranné desky plošných spojů pomáhá kontrolovat problém díky krátkým spojům „potištěného průchozím otvorem“ napříč komponenty.

Dokonce i výška stojanu mosfetů musí být snížena na minimum zasunutím vedení co nejhlubší hloubkou do desky plošných spojů, použití SMD je pravděpodobně nejlepší volbou.

Všichni víme, že mosfety obsahují vestavěné kondenzátory, které vyžadují nabíjení a vybíjení, aby zařízení fungovalo.

V zásadě jsou tyto kondenzátory připojeny přes bránu / zdroj a bránu / odtok. Mosfety „nemají rádi“ prodloužené zpožděné nabíjení a vybíjení své kapacity, protože to přímo souvisí s jeho účinností.

Zdá se, že připojení mosfetů přímo k výstupu logického zdroje tento problém vyřeší, protože logický zdroj by snadno přepnul a rychle potopil kapacitu z Vcc na nulu a naopak kvůli absenci jakékoli překážky v cestě.

Implementace výše uvedené úvahy by však také mohla vést ke generování přechodových jevů a negativních špiček s nebezpečnými amplitudami napříč odtokem a hradlem, díky nimž by byl mosfet zranitelný vůči generovaným špičkám kvůli náhlému přepínání vysokého proudu přes odtok / zdroj.

To by mohlo snadno narušit oddělení křemíku mezi částmi mosfetu, což by způsobilo zkrat uvnitř zařízení a trvalé poškození.

Důležitost odporu brány:

Abychom se zbavili výše uvedeného problému, doporučuje se použít odpor s nízkou hodnotou v sérii s logickým vstupem a bránou MOSFET.

Při relativně nižších frekvencích (50 Hz až 1 kHz) může být hodnota kdekoli mezi 100 a 470 ohmy, zatímco pro frekvence nad touto hodnotou může být hodnota do 100 ohmů, pro mnohem vyšší frekvence (10 kHz a vyšší) to nesmí překročit 50 ohmů .

Výše uvedená úvaha umožňuje exponenciální nabíjení nebo postupné nabíjení vnitřních kondenzátorů, které snižují nebo snižují pravděpodobnost negativních špiček napříč odtokovými / hradlovými kolíky.

Použití reverzních diod:

Ve výše uvedené úvaze exponenciální nabíjení hradlové kapacity snižuje pravděpodobnost špiček, ale to také znamená, že vybíjení zapojené kapacity by bylo zpožděno kvůli odporu v cestě logického vstupu, pokaždé, když se přepne na logickou nulu. Způsobení zpožděného vybití by znamenalo nutit mosfet k chování ve stresových podmínkách, což by ho zbytečně zahřívalo.

Zahrnutí reverzní diody paralelně s odporem brány je vždy dobrým postupem a jednoduše řeší zpožděné vybíjení brány zajištěním kontinuální cesty pro vybíjení brány přes diodu a do logického vstupu.

Výše uvedené body týkající se správné implementace MOSFETů lze snadno zahrnout do jakéhokoli obvodu, aby byly MOSFETY chráněny před záhadnými poruchami a spálením.

Dokonce i ve složitých aplikacích, jako jsou napůl můstkové nebo plné můstkové ovladače MOSFET spolu s některými dalšími doporučenými ochranami.

Použití odporu mezi bránou a zdrojem

Ačkoli jsme toto zařazení neoznačili na předchozích obrázcích, důrazně se to doporučuje, aby byl mosfet chráněn před vyfukováním za všech okolností.

Jak tedy poskytuje rezistor přes bránu / zdroj zaručenou ochranu?

Normálně mají mosfety tendenci blokovat, kdykoli je připojeno spínací napětí, tento účinek blokování může být někdy obtížné vrátit, a v době, kdy je aplikován opačný spínací proud, je již příliš pozdě.

Uvedený odpor zajišťuje, že jakmile je spínací signál odstraněn, je mosfet schopen rychle se vypnout a zabránit možnému poškození.

Tato hodnota odporu může být kdekoli mezi 1K a 10K, avšak nižší hodnoty by poskytly lepší a efektivnější výsledky.

Lavinová ochrana

MOSFETy se mohou poškodit, pokud se jeho teplota spojení náhle zvýší nad přípustnou hranici v důsledku podmínek přepětí na vnitřních diodách těla. Tento výskyt je v MOSFET označován jako lavina.

Problém může nastat, když se na odtokové straně zařízení použije indukční zátěž a během období vypnutí MOSFET se reverzní EMF induktoru procházející diodou těla MOSFET příliš zvýší, což způsobí náhlý nárůst teplot spojení MOSFET a jeho rozdělení.

Problém lze vyřešit přidáním externí vysoce výkonné diody přes odtokové / zdrojové svorky MOSFET, takže reverzní proud je sdílen mezi diodami a je vyloučeno přebytečné teplo.

Ochrana mosfetů v obvodech H-Bridge před spálením

Při použití celého obvodu mostu ovladače zahrnujícího ovladač IC, jako je IR2110, kromě výše uvedeného, ​​je třeba mít na paměti následující aspekty (brzy o tom podrobně pojednám v jednom z mých nadcházejících článků)

• Přidejte oddělovací kondenzátor poblíž napájecích vývodů napájecího zdroje IC, čímž se sníží přechodové přechody napříč vnitřními vývody napájecího zdroje, což zase zabrání nepřirozené výstupní logice pro brány MOSFET.
• Pro bootstrappingový kondenzátor vždy používejte vysoce kvalitní kondenzátory s nízkým ESD a nízkým únikem a případně použijte několik paralelně. Použijte v rámci doporučené hodnoty uvedené v datovém listu.
• Čtyři propojení MOSFET vždy připojujte co nejblíže k sobě. Jak bylo vysvětleno výše, sníží se to bludnou indukčnost napříč mosfety.
• A připojte kondenzátor s relativně velkou hodnotou přes kladnou stranu vysoké (VDD) a zem uzemnění (VSS), což účinně uzemní veškerou zbloudilou indukčnost, která se může skrývat kolem připojení.
• Připojte se k VSS, uzemnění nízké úrovně MOSFET a uzemnění logického vstupu dohromady a zakončete do jednoho společného silného uzemnění k napájecí svorce.
• V neposlední řadě desku důkladně omyjte acetonem nebo podobným činidlem proti tavidlu, abyste odstranili všechny možné stopy tavidla pro pájení, abyste se vyhnuli skrytým vzájemným spojům a zkratům.

Ochrana mosfetů před přehřátím

Stmívače osvětlení často trpí poruchami MOSFET. Většina stmívačů používaných v nízkoteplotních střídavých průmyslových aplikacích je uzavřena a často zabudována do zdi. To může způsobit problémy s rozptylem tepla a může vést k hromadění tepla - což vede k tepelné události. MOSFET používaný pro obvody stmívače osvětlení obvykle selhává v „odporovém režimu“.

Reflowable tepelná ochrana nebo RTP od TE Connectivity poskytuje odpověď na selhání MOSFET v nízkoteplotních AC aplikacích.

Toto zařízení funguje jako odpor nízké hodnoty při normálních provozních teplotách MOSFET. Je namontován téměř přímo na MOSFET, a je proto schopen přesně snímat teplotu. Pokud se MOSFET z jakéhokoli důvodu dostane do stavu vysoké teploty, je to snímáno RTP a při předem definované teplotě se RTP změní na vysoce hodnotný rezistor.

Tím se efektivně odřízne napájení MOSFET a ušetří se tak před zničením. Rezistor s nižší cenou se tedy obětuje, aby ušetřil dražší MOSFET. Podobnou analogií by mohlo být použití pojistky (materiálu s nízkou hodnotou) při ochraně složitějších obvodů (např. Televize).

Jedním z nejzajímavějších aspektů RTP od TE Connectivity je jeho schopnost odolat enormním teplotám - až 260 ° C. To je překvapivé, protože ke změně odporu (k ochraně MOSFET) obvykle dochází kolem 140 ° C.

Tento zázračný výkon je dosažen inovativním designem TE Connectivity. RTP musí být aktivován, než začne chránit MOSFET. Elektronická aktivace RTP nastává po dokončení průtokového pájení (připojení). Každý RTP musí být individuálně zapnut zasláním specifikovaného proudu přes aktivační kolík RTP po stanovenou dobu.

Charakteristiky časového proudu jsou součástí specifikací RTP. Před zapnutím bude hodnota odporu RTP sledovat specifikované charakteristiky. Jakmile je však aktivován, aktivuje se elektricky otevřený kolík - brání tak dalším změnám.

Při navrhování a montáži MOSFET a RTP na desku plošných spojů je velmi důležité dodržovat rozložení specifikované TE Connectivity. Protože RTP musí snímat teplotu MOSFET, přirozeně z toho vyplývá, že by tyto dva měly zůstat v těsné blízkosti.

Odpor RTP umožní až 80A proudu při 120V AC přes MOSFET, dokud teplota MOSFET zůstane pod otevřenou teplotou RTP, která může být mezi 135-145 ° C.