Sådan beskyttes MOSFET'er - Grundlæggende forklaringer

Prøv Vores Instrument Til At Fjerne Problemer





I dette indlæg lærer vi grundigt, hvordan man beskytter mosfeter og forhindrer mosfet-afbrænding i elektroniske kredsløb ved at følge nogle grundlæggende retningslinjer relateret til korrekt PCB-layout og omhyggelig manuel håndtering af disse følsomme enheder.

Introduktion

Selv efter at have tilsluttet alt korrekt, finder du, at mosfeterne i dit kredsløb bliver VARME og blæser af inden for få minutter. Dette er et ganske almindeligt problem, som de fleste nye såvel som erfarne hobbyister står over for, mens de designer og optimerer mosfet-baserede kredsløb, især dem, der involverer høje frekvenser.



Det er klart, at det at forbinde alle dele korrekt i henhold til de givne detaljer er det vigtigste, der skal kontrolleres og bekræftes, før man antager andre problemer, for medmindre de grundlæggende ting er sat helt rigtigt, ville det være meningsløst at spore de andre skjulte bugs i dit kredsløb. .

Grundlæggende Mosfet-beskyttelsesapplikation bliver kritisk specifikt i de kredsløb, der involverer høje frekvenser i størrelsesordenen mange kHz. Dette skyldes, at applikationer med høj frekvens kræver hurtig (inden for ns) tænding og slukning af enhederne, hvilket igen kræver effektiv implementering af alle kriterier, der er direkte eller indirekte forbundet med den pågældende skift.



Så hvad er de vigtigste forhindringer, der forårsager forkert eller ineffektiv skift af mosfeter, lad os grundigt lære, hvordan man beskytter mosfeter med følgende punkter.

Slip af med løs induktans:

Den mest almindelige og primære fejl i køen er den omstrejfende induktans, der kan være skjult i kredsløbssporene. Når omskiftningsfrekvensen og strømmen er høj, kan selv en lille unødvendig stigning i forbindelsesstien, der er PCB-sporet, resultere i indbyrdes forbundet induktans, som igen kan påvirke mosfet-opførsel drastisk på grund af ineffektiv ledning, transienter og spidser.

For at slippe af med dette problem anbefales det stærkt at holde sporene bredere og at holde enhederne SÅ LUK SOM MULIGT for hinanden og til driver-IC, som bruges til at drive de respektive mosfeter.

Derfor foretrækkes SMD og er den bedste måde at eliminere krydsinduktans på tværs af komponenterne, også brugen af ​​dobbeltsidet printkort hjælper med at kontrollere problemet på grund af dets korte 'udskrevne-gennem-hul'-forbindelser på tværs af komponenterne.

Selv mosfets stående højde skal bringes til et minimum ved at indsætte ledningen så dybt nede som muligt i printkortet, ved hjælp af SMD er sandsynligvis den bedste løsning.

beskyt mosfet ved at fjerne svindelinduktans

Vi ved alle, at mosfeter inkluderer indbyggede kondensatorer, der kræver opladning og afladning for at få enheden til at lede.

Dybest set er disse kondensatorer forbundet over porten / kilden og porten / afløbet. Mosfets 'kan ikke lide' langvarig forsinket opladning og afladning af dens kapacitans, da disse er direkte relateret til dens effektivitet.

Forbindelse af mosfets direkte til en logisk kildeoutput kan synes at løse dette problem, fordi den logiske kilde let kan skifte og synke kapacitansen fra Vcc til nul hurtigt, og omvendt på grund af fraværet af nogen hindring i vejen.

Imidlertid kan implementering af ovenstående overvejelse også føre til dannelse af transienter og negative pigge med farlige amplituder over afløbet og porten, der gør mosfet sårbar over for de genererede pigge på grund af pludselig høj strømskifte over afløb / kilde.

Dette kan let bryde silicium-adskillelsen mellem sektionerne i mosfet, hvilket gør en kortslutning inde i enheden og ødelægge den permanent.

gate modstand for at forhindre negative pigge

Betydningen af ​​portmodstand:

For at slippe af med ovenstående problem anbefales det at bruge modstand med lav værdi i serie med logikindgangen og Mosfet-porten.

Med relativt lave frekvenser (50 Hz til 1 kHz) kunne værdien være hvor som helst mellem 100 og 470 ohm, mens for frekvenser over dette kunne værdien være inden for 100 ohm, for meget højere frekvenser (10 kHz og derover) må dette ikke overstige 50 ohm .

Ovenstående overvejelse tillader eksponentiel opladning eller gradvis opladning af de interne kondensatorer, der reducerer eller afstumper chancerne for negative spidser over afløb / portstifter.

tilføjelse af omvendte dioder til mosfet-beskyttelse

Brug af omvendte dioder:

I ovenstående betragtning reducerer en eksponentiel opladning af portkapacitansen chancerne for pigge, men det betyder også, at afladningen af ​​den involverede kapacitans ville blive forsinket på grund af modstanden i stien til den logiske indgang, hver gang det skifter til logisk nul. At forårsage en forsinket udledning ville betyde at tvinge mosfet til at udføre under stressede forhold, hvilket gør det unødigt varmere.

Inkludering af en omvendt diode parallelt med portmodstanden er altid en god praksis og tackler simpelthen forsinket afladning af porten ved at tilvejebringe en kontinuerlig sti til portudladningen gennem dioden og ind i den logiske indgang.

De ovennævnte punkter vedrørende korrekt implementering af mosfeter kan let inkluderes i ethvert kredsløb for at beskytte mosfets mod mystiske funktionsfejl og forbrænding.

Selv i komplicerede applikationer såsom halvbro- eller fuldbro-mosfet-driverkredsløb sammen med nogle yderligere anbefalede beskyttelser.

tilføjelse af portkildemodstand til mosfet-beskyttelse

Brug af en modstand mellem port og kilde

Selvom vi ikke har angivet denne optagelse i de foregående billeder, anbefales det stærkt at beskytte mosfetten mod at blæse under alle omstændigheder.

Så hvordan giver en modstand på tværs af port / kilde en garanteret beskyttelse?

Normalt har mosfeter tendens til at låse sig sammen, når der anvendes en omskiftningsspænding, denne låseeffekt kan undertiden være svær at vende tilbage, og når en modsat koblingsstrøm anvendes, er det allerede for sent.

Den nævnte modstand sikrer, at så snart koblingssignalet er fjernet, er mosfet i stand til hurtigt at slukke og forhindre en mulig skade.

Denne modstandsværdi kan være hvor som helst mellem 1K og 10K, men lavere værdier vil give bedre og mere effektive resultater.

Lavinebeskyttelse

MOSFET'er kan blive beskadiget, hvis dens forbindelsestemperatur pludselig stiger ud over den tolerante grænse på grund af overspændingsforhold på tværs af dens indre kropsdioder. Denne begivenhed kaldes lavine i MOSFET'er.

Problemet kan opstå, når der anvendes en induktiv belastning på enhedens afløbsside, og under MOSFET-slukningsperioderne bliver induktorens omvendte EMF, der passerer gennem MOSFET-kropsdioden, for høj, hvilket forårsager en pludselig stigning i MOSFET's forbindelsestemperaturer dens sammenbrud.

Problemet kan løses ved at tilføje en ekstern højeffektdiode på tværs af afløb / kileterminaler på MOSFET'erne, så omvendt strøm deles på tværs af dioderne, og overskydende varmeproduktion elimineres.

Beskyttelse af mosfeter i H-Bridge kredsløb mod brænding

Mens du bruger et komplet brodriverkredsløb, der involverer en driver-IC som IR2110 ud over ovenstående, skal følgende aspekter kede dig i tankerne (jeg vil snart diskutere dette detaljeret i en af ​​mine kommende artikler)

  • Tilføj en afkoblingskondensator tæt på driverens IC-forsynings pinouts, dette reducerer omskiftningstransienterne over de interne forsynings pinouts, hvilket igen forhindrer unaturlig outputlogik til mosfet-porte.
  • Brug altid høj kvalitet lav ESD, kondensatorer med lav lækage til bootstrapping-kondensatoren, og brug eventuelt et par af dem parallelt. Brug inden for den anbefalede værdi angivet i databladet.
  • Tilslut altid de fire mosfet-interlinks så tæt på hinanden som muligt. Som forklaret ovenfor vil dette reducere omstrejfende induktans over mosfeterne.
  • OG tilslut en relativt stor værdikondensator på tværs af den høje side positive (VDD) og den lave side jord (VSS), dette vil effektivt jorde al vildfarende induktans, der kan gemme sig omkring forbindelserne.
  • Deltag i VSS, mosfets lave sidejord og den logiske inputjord sammen, og slut til en enkelt fælles tyk jord til forsyningsterminalen.
  • Sidst men ikke mindst vask bordet grundigt med acetone eller lignende antifluxmiddel for at fjerne alle mulige spor af loddefluxen for at undgå skjulte forbindelser og shorts.
hvordan man beskytter mosfet i H bro kredsløb eller fuld bro kredsløb

Beskyttelse af mosfeter mod overophedning

Lysdæmpere lider ofte under MOSFET-fejl. De fleste lysdæmpere, der anvendes i industrielle applikationer med lav temperatur AC, er lukket og ofte indlejret i væggen. Dette kan forårsage varmeafledningsproblemer og kan resultere i varmeopbygning - hvilket fører til en termisk begivenhed. Normalt mislykkes MOSFET, der anvendes til lysdæmperkredsløb, i 'resistiv tilstand'.

En reflekterbar termisk beskyttelse eller RTP fra TE Connectivity giver et svar på MOSFET-svigt i AC-applikationer med lav temperatur.

Denne enhed fungerer som en modstand med lav værdi ved de normale driftstemperaturer i MOSFET. Den er monteret næsten direkte på MOSFET og er derfor i stand til at registrere temperaturen med præcision. Hvis MOSFET af en eller anden grund driver i en høj temperaturtilstand, registreres dette af RTP, og ved en foruddefineret temperatur skifter RTP til en modstand med høj værdi.

Dette afbryder effektivt strømmen til MOSFET og sparer den mod ødelæggelse. Således ofrer en modstand til lavere priser sig selv for at spare en dyrere MOSFET. En lignende analogi kan være brugen af ​​en sikring (materiale med lav værdi) til beskyttelse af mere komplekse kredsløb (f.eks. Et fjernsyn).

Et af de mest interessante aspekter af RTP fra TE Connectivity er dens evne til at modstå enorme temperaturer - op til 260 ° C. Dette er overraskende, da modstandsændringen (for at beskytte MOSFET) normalt sker ved omkring 140 ° C.

Denne mirakuløse præstation opnås via innovativt design af TE Connectivity. RTP skal aktiveres, før den begynder at beskytte MOSFET. Den elektroniske aktivering af RTP sker, efter at strømningslodning (vedhæftning) er afsluttet. Hver RTP skal tilkobles individuelt ved at sende en specificeret strøm gennem RTP's tilkoblingsstift i et bestemt tidsrum.

Tidsstrømskarakteristikkerne er en del af RTP's specifikationer. Før den er tilkoblet, følger værdien af ​​RTP-modstanden de specificerede egenskaber. Når først den er tilkoblet, bliver tilkoblingsstiften elektrisk åben - hvilket forhindrer yderligere ændringer.

Det er meget vigtigt, at det layout, der er angivet af TE Connectivity, følges, når MOSFET og RTP designes og monteres på printkortet. Da RTP skal registrere temperaturen på MOSFET, følger det naturligvis, at de to skal forblive i nærheden.

RTP-modstanden tillader op til 80A strøm ved 120V AC gennem MOSFET, så længe temperaturen på MOSFET forbliver under RTP's åbne temperatur, som kan være mellem 135-145 ° C.




Forrige: Tilslutning af spændingsregulatorer 78XX parallelt med høj strøm Næste: Enfaset variabel frekvensdrev VFD-kredsløb