Jak chronić tranzystory MOSFET - wyjaśnienie podstaw

W tym poście kompleksowo dowiadujemy się, jak chronić mosfety i zapobiegać spalaniu się mosfetów w obwodach elektronicznych, postępując zgodnie z podstawowymi wskazówkami dotyczącymi prawidłowego rozmieszczenia PCB oraz ostrożnej ręcznej obsługi tych wrażliwych urządzeń.

Wprowadzenie

Nawet po prawidłowym podłączeniu wszystkiego mosfety w twoim obwodzie stają się GORĄCE i wybuchają w ciągu kilku minut. Jest to dość powszechny problem, z którym boryka się większość nowych i doświadczonych hobbystów podczas projektowania i optymalizacji obwodów opartych na mosfecie, zwłaszcza tych, które wymagają wysokich częstotliwości.

Oczywiście prawidłowe połączenie wszystkich części zgodnie z podanymi szczegółami jest najważniejszą rzeczą, którą należy najpierw sprawdzić i potwierdzić przed podjęciem innych problemów, ponieważ jeśli podstawowe rzeczy nie zostaną całkowicie poprawione, śledzenie innych ukrytych błędów w obwodzie byłoby bez znaczenia .

Podstawowe zastosowanie zabezpieczenia Mosfet staje się krytyczne szczególnie w tych obwodach, w których występują wysokie częstotliwości rzędu wielu kHz. Dzieje się tak, ponieważ aplikacje o wysokiej częstotliwości wymagają szybkiego (w ciągu ns) włączania i wyłączania urządzeń, co z kolei wymaga wydajnej realizacji wszystkich kryteriów związanych bezpośrednio lub pośrednio z danym przełączaniem.

Jakie są więc główne przeszkody, które powodują nieprawidłowe lub nieefektywne przełączanie mosfetów, nauczmy się kompleksowo, jak chronić mosfety z następującymi punktami.

Pozbądź się rozproszonej indukcyjności:

Najczęstszym i głównym błędem w kolejce jest zbłąkana indukcyjność, która może być ukryta w torach obwodu. Gdy częstotliwość przełączania i prąd są wysokie, nawet najmniejszy niepotrzebny wzrost ścieżki łączącej, czyli ścieżki PCB, może skutkować wzajemną indukcyjnością, która z kolei może drastycznie wpłynąć na zachowanie mosfetu z powodu nieefektywnego przewodzenia, stanów nieustalonych i skoków.

Aby pozbyć się tego problemu, zdecydowanie zaleca się, aby ścieżki były szersze i aby urządzenia były jak najbliżej siebie oraz układu scalonego sterownika, który jest używany do sterowania odpowiednimi mosfetami.

Dlatego SMD jest preferowany i jest najlepszym sposobem na wyeliminowanie indukcyjności krzyżowej w komponentach, a zastosowanie dwustronnej płytki drukowanej pomaga kontrolować problem dzięki krótkim połączeniom „przelotowym” na elementach.

Nawet wysokość stojaka mosfetów musi zostać zredukowana do minimum poprzez włożenie przewodu możliwie głęboko w płytkę drukowaną, użycie SMD jest prawdopodobnie najlepszą opcją.

Wszyscy wiemy, że mosfety zawierają wbudowane kondensatory, które wymagają ładowania i rozładowania, aby urządzenie przewodziło.

Zasadniczo te kondensatory są połączone przez bramkę / źródło i bramkę / dren. Mosfety „nie lubią” przedłużonego, opóźnionego ładowania i rozładowywania pojemności, ponieważ są one bezpośrednio związane z ich wydajnością.

Może się wydawać, że podłączenie mosfetów bezpośrednio do wyjścia źródła logicznego rozwiązuje ten problem, ponieważ źródło logiczne z łatwością zmieniłoby i szybko obniżyło pojemność z Vcc do zera i odwrotnie, z powodu braku przeszkód na swojej drodze.

Jednak wdrożenie powyższego rozważania może również prowadzić do generowania stanów nieustalonych i ujemnych skoków o niebezpiecznych amplitudach w drenach i bramkach, co sprawi, że mosfet będzie podatny na generowane skoki z powodu nagłego przełączania wysokiego prądu w dren / źródło.

Może to łatwo przerwać separację krzemu między sekcjami mosfetu, powodując zwarcie wewnątrz urządzenia i trwale je uszkodzić.

Znaczenie oporu bramy:

Aby pozbyć się powyższego problemu, zaleca się użycie rezystora o niskiej wartości połączonego szeregowo z wejściem logicznym i bramką mosfet.

Przy stosunkowo niższych częstotliwościach (od 50 Hz do 1 kHz) wartość może wynosić od 100 do 470 omów, podczas gdy dla częstotliwości powyżej tej wartość może mieścić się w granicach 100 omów, a dla znacznie wyższych częstotliwości (10 kHz i więcej) nie może przekraczać 50 omów .

Powyższe rozważanie umożliwia wykładnicze ładowanie lub stopniowe ładowanie wewnętrznych kondensatorów, zmniejszając lub zmniejszając prawdopodobieństwo ujemnych skoków na stykach drenu / bramki.

Korzystanie z diod odwróconych:

W powyższym rozważaniu wykładnicze ładowanie pojemności bramki zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia skoków, ale oznacza to również, że rozładowanie tej pojemności byłoby opóźnione z powodu rezystancji na ścieżce wejścia logicznego, za każdym razem, gdy przełącza się ono na zero logiczne. Spowodowanie opóźnionego rozładowania oznaczałoby zmuszenie mosfetu do działania w stresujących warunkach, powodując niepotrzebne ocieplenie.

Dołączenie diody odwrotnej równoległej do rezystora bramki jest zawsze dobrą praktyką i po prostu rozwiązuje problem opóźnionego rozładowania bramki, zapewniając ciągłą ścieżkę rozładowania bramki przez diodę i do wejścia logicznego.

Powyższe punkty dotyczące prawidłowej implementacji mosfetów można łatwo włączyć do dowolnego obwodu, aby zabezpieczyć mosfety przed tajemniczymi awariami i spaleniem.

Nawet w skomplikowanych zastosowaniach, takich jak półmostkowe lub pełne mostki obwody sterownika mosfet wraz z dodatkowymi zalecanymi zabezpieczeniami.

Korzystanie z rezystora między bramką a źródłem

Chociaż nie wskazaliśmy tego włączenia na poprzednich obrazach, jest to zdecydowanie zalecane, aby zabezpieczyć mosfet przed dmuchaniem w każdych okolicznościach.

W jaki sposób rezystor w bramce / źródle zapewnia gwarantowaną ochronę?

Cóż, normalnie mosfety mają tendencję do blokowania się za każdym razem, gdy przyłożone jest napięcie przełączające, ten efekt zatrzasku może czasami być trudny do odwrócenia, a zanim zastosowany zostanie przeciwny prąd przełączający, jest już za późno.

Wspomniany rezystor zapewnia, że ​​po usunięciu sygnału przełączającego mosfet jest w stanie szybko się wyłączyć i zapobiec ewentualnemu uszkodzeniu.

Ta wartość rezystora może wynosić od 1 K do 10 K, jednak niższe wartości zapewniłyby lepsze i bardziej efektywne wyniki.

Ochrona przed lawinami

Tranzystory MOSFET mogą ulec uszkodzeniu, jeśli temperatura złącza nagle wzrośnie poza dopuszczalny limit z powodu przepięć na diodach wewnętrznych. To zjawisko jest określane jako lawina w tranzystorach MOSFET.

Problem może wystąpić, gdy po stronie spustowej urządzenia zostanie zastosowane obciążenie indukcyjne, a podczas okresów wyłączenia MOSFET odwrotne pole elektromagnetyczne cewki przechodzącej przez diodę korpusu MOSFET staje się zbyt wysokie, powodując nagły wzrost temperatury złącza MOSFET, oraz jego rozpad.

Problem można rozwiązać, dodając zewnętrzną diodę dużej mocy na zaciskach dren / źródło tranzystorów MOSFET, tak aby prąd wsteczny był dzielony między diodami, a nadmierne wytwarzanie ciepła zostało wyeliminowane.

Ochrona mosfetów w obwodach mostka H przed spaleniem

Podczas korzystania z pełnego obwodu sterownika mostka obejmującego układ scalony sterownika, taki jak IR2110, oprócz powyższego, należy pamiętać o następujących aspektach (omówię to szczegółowo w jednym z moich nadchodzących artykułów)

• Dodaj kondensator odsprzęgający w pobliżu styków zasilania układu scalonego sterownika, co zmniejszy przejściowe stany przełączania na wewnętrznych stykach zasilania, co z kolei zapobiegnie nienaturalnej logice wyjściowej do bramek mosfet.
• Zawsze używaj wysokiej jakości kondensatorów o niskim współczynniku ESD i małym przecieku do kondensatora ładowania początkowego i ewentualnie używaj kilku z nich równolegle. Stosować w ramach zalecanej wartości podanej w arkuszu danych.
• Zawsze podłączaj cztery połączenia mosfet jak najbliżej siebie. Jak wyjaśniono powyżej, zmniejszy to rozproszoną indukcyjność w mosfetach.
• ORAZ podłącz kondensator o stosunkowo dużej wartości przez dodatnią stronę z wysokim napięciem (VDD) i masę po stronie niskiej (VSS), co skutecznie uziemi całą indukcyjność zbłąkaną, która może ukrywać się wokół połączeń.
• Połącz VSS, uziemienie po stronie niskiego mosfetu i uziemienie wejścia logicznego, a następnie połącz je jednym wspólnym grubym uziemieniem do zacisku zasilania.
• Na koniec dokładnie umyj płytkę acetonem lub podobnym środkiem zapobiegającym topnieniu, aby usunąć wszystkie możliwe ślady topnika lutowniczego, aby uniknąć ukrytych połączeń i zwarć.

Ochrona mosfetów przed przegrzaniem

Ściemniacze oświetlenia często cierpią z powodu awarii MOSFET. Większość ściemniaczy używanych w przemysłowych zastosowaniach prądu przemiennego o niskiej temperaturze jest zamknięta i często osadzona w ścianie. Może to powodować problemy z rozpraszaniem ciepła i może powodować gromadzenie się ciepła - prowadząc do zdarzenia termicznego. Zwykle tranzystor MOSFET używany w obwodach ściemniacza oświetlenia zawodzi w „trybie rezystancyjnym”.

Zabezpieczenie termiczne z możliwością rozpływu lub RTP firmy TE Connectivity stanowi odpowiedź na awarię MOSFET w zastosowaniach AC o niskiej temperaturze.

To urządzenie działa jak rezystor o niskiej wartości w normalnych temperaturach roboczych tranzystora MOSFET. Jest zamontowany prawie bezpośrednio na tranzystorze MOSFET, dzięki czemu jest w stanie precyzyjnie wyczuwać temperaturę. Jeśli z jakiegoś powodu MOSFET dryfuje w stan wysokiej temperatury, jest to wykrywane przez RTP i przy określonej temperaturze, RTP zmienia się w rezystor o wysokiej wartości.

To skutecznie odcina zasilanie MOSFET-u, chroniąc go przed zniszczeniem. Tak więc tańszy rezystor poświęca się, aby zaoszczędzić droższy tranzystor MOSFET. Podobną analogią mogłoby być zastosowanie bezpiecznika (materiału o niskiej wartości) do ochrony bardziej złożonych obwodów (np. Telewizora).

Jednym z najbardziej interesujących aspektów RTP od TE Connectivity jest jego odporność na ogromne temperatury - do 260ºC. Jest to zaskakujące, ponieważ zmiana rezystancji (w celu ochrony MOSFET) zwykle występuje przy około 140ºC.

Ten cudowny wyczyn został osiągnięty poprzez innowacyjny projekt TE Connectivity. RTP musi zostać aktywowany, zanim zacznie chronić MOSFET. Elektroniczna aktywacja RTP następuje po zakończeniu lutowania przepływowego (załącznik). Każdy RTP musi być indywidualnie uzbrojony poprzez przesłanie określonego prądu przez bolec uzbrajający RTP przez określony czas.

Charakterystyki czasowo-prądowe są częścią specyfikacji RTP. Przed uzbrojeniem wartość rezystora RTP będzie zgodna z określoną charakterystyką. Jednak po uzbrojeniu sworzeń uzbrajający zostanie elektrycznie otwarty - uniemożliwiając dalsze zmiany.

Podczas projektowania i montażu MOSFET i RTP na płytce drukowanej bardzo ważne jest przestrzeganie układu określonego przez TE Connectivity. Ponieważ RTP musi wyczuwać temperaturę tranzystora MOSFET, naturalnie wynika z tego, że oba powinny pozostawać blisko siebie.

Rezystancja RTP pozwoli na przepływ do 80 A prądu przy 120 V AC przez tranzystor MOSFET, o ile temperatura tranzystora MOSFET pozostanie poniżej temperatury otwarcia RTP, która może wynosić 135-145ºC.