Hur man skyddar MOSFETs - Grundförklaringar

I det här inlägget lär vi oss omfattande hur man skyddar mosfeter och förhindrar att mosfet brinner i elektroniska kretsar genom att följa några grundläggande riktlinjer för korrekt PCB-layout och noggrann manuell hantering av dessa känsliga enheter.

Introduktion

Även efter att du har anslutit allt korrekt ser du att musklerna i din krets blir VARMA och blåser av inom några minuter. Detta är en ganska vanlig fråga för de flesta nya såväl som erfarna hobbyister när de utformar och optimerar mosfetbaserade kretsar, särskilt de som involverar höga frekvenser.

Självklart är det viktigaste som måste kontrolleras och bekräftas innan alla andra problem antas, om inte de grundläggande sakerna sätts helt rätt skulle det vara meningslöst att spåra de andra dolda buggarna i din krets. .

Grundläggande Mosfet-skyddsapplikation blir kritisk specifikt i de kretsar som involverar höga frekvenser i storleksordningen många kHz. Detta beror på att högfrekventa applikationer kräver snabb (inom ns) på- och avstängning av enheterna, vilket i sin tur kräver effektiv implementering av alla kriterier som är direkt eller indirekt kopplade till den berörda omkopplingen.

Så vilka är de viktigaste hindren som orsakar felaktig eller ineffektiv byte av myggorna, låt oss lära oss omfattande hur man skyddar myggor med följande punkter.

Bli av med tillfällig induktans:

Den vanligaste och främsta buggen i kön är den vilde induktansen som kan döljas i kretsspåren. När omkopplingsfrekvensen och strömmen är hög kan till och med en liten onödig ökning av anslutningsvägen som är PCB-spåret resultera i sammankopplad induktans som i sin tur kan påverka mosfetbeteendet drastiskt på grund av ineffektiv ledning, transienter och spikar.

För att bli av med det här problemet rekommenderas det starkt att hålla spåren bredare och att hålla enheterna SÅ STÄNGT MÖJLIGT för varandra och för IC-föraren som används för att driva respektive mosfetter.

Det är därför SMD är att föredra och är det bästa sättet att eliminera korsinduktans över komponenterna, även användningen av dubbelsidig kretskort hjälper till att kontrollera problemet på grund av dess korta 'utskrivna-genom-hål' -anslutningar över komponenterna.

Även mosfets stående höjd måste minimeras genom att sätta in ledningen så djupt ner som möjligt i kretskortet, med hjälp av SMD är förmodligen det bästa alternativet.

Vi vet alla att mosfets inkluderar inbyggda kondensatorer som kräver laddning och urladdning för att få enheten att leda.

I grund och botten är dessa kondensatorer anslutna över grinden / källan och grinden / avloppet. Mosfets 'gillar inte' fördröjd laddning och urladdning av dess kapacitans eftersom dessa är direkt relaterade till dess effektivitet.

Anslutning av mosfets direkt till en logisk källutgång kan tyckas lösa detta problem, eftersom logikkällan lätt skulle kunna växla och sänka kapacitansen från Vcc till noll snabbt och vice versa på grund av frånvaron av något hinder i dess väg.

Emellertid kan implementering av ovanstående överväganden också leda till generering av transienter och negativa spikar med farliga amplituder över avloppet och porten, vilket gör mosfeten sårbar för de genererade spikarna på grund av plötslig hög strömväxling över avlopp / källa.

Detta kan lätt bryta kiselseparationen mellan sektionerna på mosfet vilket gör kortslutning inuti enheten och skadar den permanent.

Vikt av portmotstånd:

För att bli av med ovanstående fråga rekommenderas att använda lågmotståndsmotstånd i serie med logikingången och mosfet-grinden.

Med relativt lägre frekvenser (50 Hz till 1 kHz) kan värdet ligga mellan 100 och 470 ohm, medan för frekvenser över detta kan värdet ligga inom 100 ohm, för mycket högre frekvenser (10 kHz och högre) får detta inte överstiga 50 ohm .

Ovanstående överväganden möjliggör exponentiell laddning eller gradvis laddning av de interna kondensatorerna, vilket minskar eller avstumpar risken för negativa spikar över avlopps- / grindstift.

Använda omvända dioder:

I ovanstående överväganden minskar en exponentiell laddning av grindkapacitansen risken för spikar men det betyder också att urladdningen av den inblandade kapacitansen skulle fördröjas på grund av motståndet i logikingångens väg, varje gång den växlar till logisk noll. Att orsaka en fördröjd urladdning skulle innebära att tvinga mosfet att utföra under stressande förhållanden, vilket gör det onödigt varmare.

Att inkludera en omvänd diod parallell med grindmotståndet är alltid en bra praxis och hanterar helt enkelt den fördröjda urladdningen av grinden genom att tillhandahålla en kontinuerlig väg för grindutmatningen genom dioden och in i logikingången.

Ovan nämnda punkter om korrekt implementering av mosfetter kan enkelt inkluderas i vilken krets som helst för att skydda mosfets från mystiska funktionsstörningar och brännskador.

Även i komplicerade applikationer såsom halvbrygga eller fullbrygga mosfetförarkretsar tillsammans med några ytterligare rekommenderade skydd.

Använda ett motstånd mellan grind och källa

Även om vi inte har angett denna inkludering i de föregående bilderna, rekommenderas detta starkt för att skydda mosfetten från att blåsa under alla omständigheter.

Så hur ger ett motstånd över grinden / källan ett garanterat skydd?

Normalt har mosfetter en tendens att spärras närhelst en omkopplingsspänning appliceras, denna spärreffekt kan ibland vara svår att återställa, och när en motsatt växelström appliceras är det redan för sent.

Det nämnda motståndet säkerställer att så snart kopplingssignalen tas bort, kan mosfet snabbt stängas av och förhindra en eventuell skada.

Detta motståndsvärde kan vara mellan 1K och 10K, men lägre värden skulle ge bättre och mer effektiva resultat.

Lavinskydd

MOSFET kan skadas om dess övergångstemperatur plötsligt ökar över den acceptabla gränsen på grund av överspänningsförhållanden över dess inre kroppsdioder. Denna händelse kallas lavin i MOSFET.

Problemet kan uppstå när en induktiv belastning används på enhetens avloppssida och under MOSFET-avstängningsperioderna blir induktans omvända EMF som passerar genom MOSFET-kroppsdioden för hög, vilket orsakar en plötslig ökning av MOSFETs övergångstemperaturer och dess uppdelning.

Problemet kan åtgärdas genom att lägga till en extern högeffektsdiod över MOSFETs avlopps- / källanslutningar, så att motströmmen delas över dioderna och överskottsgenerering elimineras.

Skydda mosfeter i H-Bridge-kretsar från bränning

När du använder en fullbryggadrivarkrets som involverar en förar-IC som IR2110 utöver ovanstående, bör följande aspekter komma ihåg (jag kommer snart att diskutera detta i en av mina kommande artiklar)

• Lägg till en frikopplingskondensator nära IC-strömförsörjningsutgångarna, detta minskar omkopplingstransienterna över de interna matningsutgångarna, vilket i sin tur kommer att förhindra onaturlig utgångslogik till mygggrindarna.
• Använd alltid högkvalitativa låg ESD-kondensatorer med låg läckage för bootstrapping-kondensatorn och använd eventuellt ett par av dem parallellt. Använd inom det rekommenderade värdet i databladet.
• Anslut alltid de fyra MOSFET-länkarna så nära varandra som möjligt. Som förklarats ovan kommer detta att minska induktansen över myggarna.
• OCH, anslut en relativt stor värmekondensator över den höga sidan positiva (VDD) och den låga sidan jord (VSS), detta kommer effektivt att jorda all strö induktans som kan gömma sig runt anslutningarna.
• Gå med i VSS, mosfet-marken på lågsidan och den logiska ingångsmarken tillsammans, och sluta till en enda gemensam tjock mark till försörjningsterminalen.
• Sist men inte minst tvätta brädan noggrant med aceton eller liknande anti-flussmedel för att ta bort alla möjliga spår av lödflödet för att undvika dolda anslutningar och shorts.

Skydda mosfeter från överhettning

Ljusdämpare lider ofta av MOSFET-fel. De flesta dimmare som används i industriella applikationer med låg temperatur AC är inneslutna och ofta inbäddade i väggen. Detta kan orsaka värmeavledande problem och kan resultera i värmeuppbyggnad - vilket leder till en termisk händelse. Vanligtvis misslyckas MOSFET som används för belysning av dimmerkretsar i 'resistivt läge'.

Ett återflödesbart termiskt skydd eller RTP från TE Connectivity ger svar på MOSFET-fel i lågtemperatur AC-applikationer.

Enheten fungerar som ett motstånd med lågt värde vid MOSFET: s normala driftstemperatur. Den är monterad nästan direkt på MOSFET och kan därför känna av temperaturen med precision. Om MOSFET av någon anledning går in i ett högtemperaturförhållande, avkänns detta av RTP och vid en fördefinierad temperatur ändras RTP till ett motstånd med högt värde.

Detta bryter effektivt bort strömmen till MOSFET och sparar den från förstörelse. Således offrar ett lägre prissatta motstånd sig för att spara en dyrare MOSFET. En liknande analogi kan vara användningen av en säkring (material med lågt värde) för att skydda mer komplexa kretsar (t.ex. en TV).

En av de mest intressanta aspekterna av RTP från TE Connectivity är dess förmåga att motstå enorma temperaturer - upp till 260 ° C. Detta är förvånande eftersom motståndsförändringen (för att skydda MOSFET) vanligtvis sker vid cirka 140 ° C.

Denna mirakulösa bedrift uppnås genom innovativ design av TE Connectivity. RTP måste aktiveras innan den börjar skydda MOSFET. Den elektroniska aktiveringen av RTP sker efter att flödeslödningen (fästanordningen) är klar. Varje RTP måste vara beväpnad individuellt genom att sända en specificerad ström genom RTP: s låsstift under en viss tid.

Tidsströmegenskaperna är en del av specifikationerna för RTP. Innan den aktiveras kommer värdet på motståndet i RTP att följa de angivna egenskaperna. Men när den väl är aktiverad kommer låsstiftet att vara elektriskt öppet - vilket förhindrar ytterligare förändringar.

Det är mycket viktigt att layouten som anges av TE Connectivity följs när du designar och monterar MOSFET och RTP på kretskortet. Eftersom RTP måste känna av MOSFET-temperaturen, följer det naturligtvis att de två bör förbli i närheten.

RTP-motståndet tillåter upp till 80A ström vid 120V AC genom MOSFET så länge som MOSFET-temperaturen förblir under RTP: s öppna temperatur, som kan vara mellan 135-145 ° C.