Hoe MOSFET's te beschermen - basisprincipes uitgelegd

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





In dit bericht leren we uitgebreid hoe mosfets te beschermen en mosfet-verbranding in elektronische circuits te voorkomen door enkele basisrichtlijnen te volgen met betrekking tot de juiste PCB-lay-out en zorgvuldige handmatige omgang met deze gevoelige apparaten.

Invoering

Zelfs nadat je alles correct hebt aangesloten, zul je merken dat de mosfets in je circuit HEET worden en binnen enkele minuten afblazen. Dit is een vrij algemeen probleem waarmee de meeste nieuwe en ervaren hobbyisten worden geconfronteerd bij het ontwerpen en optimaliseren van op mosfet gebaseerde circuits, vooral die met hoge frequenties.



Het is duidelijk dat het correct aansluiten van alle onderdelen volgens de gegeven details het belangrijkste is dat eerst moet worden gecontroleerd en bevestigd voordat andere problemen worden aangenomen, want tenzij de fundamentele dingen absoluut goed worden gezet, zou het zinloos zijn om de andere verborgen bugs in uw circuit op te sporen .

De basistoepassing voor Mosfet-bescherming wordt van cruciaal belang, met name in die circuits met hoge frequenties in de orde van vele kHz. Dit komt doordat toepassingen met hoge frequentie vragen om het snel (binnen ns) in- en uitschakelen van de apparaten, wat op zijn beurt een efficiënte implementatie vereist van alle criteria die direct of indirect verband houden met de betreffende omschakeling.



Dus wat zijn de belangrijkste hindernissen die onjuist of inefficiënt schakelen van de mosfets veroorzaken, laten we uitgebreid leren hoe we mosfets kunnen beschermen met de volgende punten.

Weg met verdwaalde inductantie:

De meest voorkomende en belangrijkste bug in de wachtrij is de verdwaalde inductantie die mogelijk verborgen is in de circuitsporen. Wanneer de schakelfrequentie en stroom hoog zijn, kan zelfs een geringste onnodige toename van het verbindingspad dat het PCB-spoor is, resulteren in onderling gekoppelde inductantie die op zijn beurt het mosfet-gedrag drastisch kan beïnvloeden vanwege inefficiënte geleiding, transiënten en pieken.

Om van dit probleem af te komen, is het sterk aanbevolen om de sporen breder te houden en de apparaten ZO DICHT MOGELIJK mogelijk te houden bij elkaar en bij de driver-IC die wordt gebruikt om de respectievelijke mosfets aan te sturen.

Dat is de reden waarom SMD de voorkeur heeft en de beste manier is om kruisinductie tussen de componenten te elimineren, ook het gebruik van dubbelzijdige PCB's helpt het probleem onder controle te houden vanwege de korte 'geprinte-through-hole'-verbindingen tussen de componenten.

Zelfs de stahoogte van de mosfets moet zo laag mogelijk worden gehouden door de lead zo diep mogelijk in de print te steken, het gebruik van SMD is waarschijnlijk de beste optie.

bescherm mosfet door verdwaalde inductie te verwijderen

We weten allemaal dat mosfets ingebouwde condensatoren bevatten die moeten worden opgeladen en ontladen om het apparaat te laten geleiden.

In principe zijn deze condensatoren verbonden over de gate / source en gate / drain. Mosfets houden niet van langdurig vertraagd opladen en ontladen van de capaciteit, omdat deze rechtstreeks verband houden met de efficiëntie.

Het rechtstreeks aansluiten van de mosfets op een logische bronuitgang lijkt dit probleem op te lossen, omdat de logische bron de capaciteit gemakkelijk snel van Vcc naar nul zou schakelen en verlagen, en vice versa vanwege de afwezigheid van enig obstakel op zijn pad.

Het implementeren van de bovenstaande overweging zou echter ook kunnen leiden tot het genereren van transiënten en negatieve pieken met gevaarlijke amplitudes over de afvoer en poort, waardoor de mosfet kwetsbaar wordt voor de gegenereerde pieken als gevolg van plotselinge hoge stroomomschakeling tussen afvoer / bron.

Dit zou gemakkelijk de siliciumscheiding tussen de secties van de mosfet kunnen verbreken, waardoor een kortsluiting in het apparaat ontstaat en het permanent beschadigd kan raken.

poortweerstand om negatieve pieken te voorkomen

Belang van poortweerstand:

Om van het bovenstaande probleem af te komen, wordt aanbevolen om een ​​weerstand met een lage waarde in serie te gebruiken met de logische ingang en de mosfet-poort.

Met relatief lagere frequenties (50 Hz tot 1 kHz) kan de waarde ergens tussen 100 en 470 ohm liggen, terwijl voor frequenties daarboven de waarde binnen 100 ohm kan liggen, voor veel hogere frequenties (10 kHz en hoger) mag dit niet hoger zijn dan 50 ohm .

De bovenstaande overweging maakt exponentieel opladen of geleidelijk opladen van de interne condensatoren mogelijk, waardoor de kans op negatieve pieken over de afvoer- / poortpennen wordt verminderd of afgestompt.

het toevoegen van omgekeerde diodes voor mosfet-bescherming

Omgekeerde diodes gebruiken:

In de bovenstaande overweging vermindert een exponentiële oplading van de poortcapaciteit de kans op pieken, maar dat betekent ook dat het ontladen van de betrokken capaciteit vertraagd zou worden vanwege de weerstand in het pad van de logische ingang, elke keer dat deze overschakelt naar logisch nul. Het veroorzaken van een vertraagde ontlading zou betekenen dat de mosfet gedwongen wordt om zich onder stressvolle omstandigheden te gedragen, waardoor het onnodig warmer wordt.

Het opnemen van een omgekeerde diode parallel aan de poortweerstand is altijd een goede gewoonte, en pakt eenvoudig de vertraagde ontlading van de poort aan door een continu pad te bieden voor de poortontlading door de diode en in de logische ingang.

De bovengenoemde punten met betrekking tot de juiste implementatie van mosfets kunnen eenvoudig in elk circuit worden opgenomen om mosfets te beschermen tegen mysterieuze storingen en verbranding.

Zelfs in gecompliceerde toepassingen zoals half-bridge of full-bridge mosfet-stuurcircuits samen met enkele aanvullende aanbevolen beveiligingen.

poortbronweerstand toevoegen voor mosfet-bescherming

Met behulp van een weerstand tussen poort en bron

Hoewel we deze opname in de vorige afbeeldingen niet hebben aangegeven, wordt dit sterk aanbevolen om te voorkomen dat de mosfet onder alle omstandigheden afblaast.

Dus hoe biedt een weerstand over poort / bron een gegarandeerde bescherming?

Welnu, normaal gesproken hebben mosfets de neiging om te vergrendelen wanneer een schakelspanning wordt aangelegd, dit vergrendelende effect kan soms moeilijk zijn om te keren, en tegen de tijd dat een tegengestelde schakelstroom wordt aangelegd, is het al te laat.

De genoemde weerstand zorgt ervoor dat zodra het schakelsignaal wordt verwijderd de mosfet snel kan uitschakelen, en mogelijke schade wordt voorkomen.

Deze weerstandswaarde kan ergens tussen 1K en 10K liggen, maar lagere waarden zouden betere en effectievere resultaten opleveren.

Lawine bescherming

MOSFET's kunnen beschadigd raken als de junctietemperatuur plotseling boven de toelaatbare limiet stijgt als gevolg van overspanningsomstandigheden over de interne lichaamsdiodes. Dit voorval wordt in MOSFET's lawine genoemd.

Het probleem kan optreden wanneer een inductieve belasting wordt gebruikt aan de afvoerzijde van het apparaat, en tijdens de MOSFET-uitschakelingsperioden wordt de omgekeerde EMF van de inductor die door de MOSFET-lichaamsdiode gaat te hoog, waardoor de junctietemperaturen van de MOSFET plotseling stijgen, en zijn uitsplitsing.

Het probleem kan worden aangepakt door een externe hoogvermogendiode toe te voegen over de afvoer- / bronaansluitingen van de MOSFET's, zodat de tegenstroom over de diodes wordt verdeeld en overmatige warmteontwikkeling wordt geëlimineerd.

Mosfets in H-brugcircuits beschermen tegen verbranding

Bij het gebruik van een volledig bridge-stuurcircuit met een stuurprogramma-IC zoals de IR2110 naast het bovenstaande, moeten de volgende aspecten in gedachten worden gehouden (ik zal dit binnenkort in een van mijn aankomende artikelen in detail bespreken)

  • Voeg een ontkoppelingscondensator toe dicht bij de voedingspinouts van de driver-IC, dit zal de schakelovergangen over de interne voedingspinouts verminderen, wat op zijn beurt onnatuurlijke outputlogica naar de mosfet-poorten zal voorkomen.
  • Gebruik altijd hoge kwaliteit lage ESD, lage lek condensatoren voor de bootstrapping condensator en gebruik eventueel een paar parallel. Gebruik binnen de aanbevolen waarde vermeld in het gegevensblad.
  • Verbind de vier mosfet-interlinks altijd zo dicht mogelijk bij elkaar. Zoals hierboven uitgelegd, zal dit de inductantie van verdwaalde mosfets verminderen.
  • EN, sluit een condensator met een relatief grote waarde aan over de hoge zijde positief (VDD) en de lage zijde aarde (VSS), dit zal effectief alle verdwaalde inductie die zich rond de verbindingen kan verbergen, aarden.
  • Verbind de VSS, de mosfet lage zijde aarde en de logische ingang aarde allemaal samen, en eindig in een enkele gemeenschappelijke dikke aarde naar de voedingsaansluiting.
  • Was tenslotte de plaat grondig met aceton of een soortgelijk anti-vloeimiddel om alle mogelijke sporen van de soldeervloeistof te verwijderen om verborgen verbindingen en kortsluiting te vermijden.
hoe mosfet te beschermen in H-brugcircuits of volledig brugcircuit

Mosfets beschermen tegen oververhitting

Verlichtingsdimmers hebben vaak last van MOSFET-storingen. De meeste dimmers die worden gebruikt in industriële AC-toepassingen met lage temperatuur, zijn ingesloten en vaak ingebed in de muur. Dit kan problemen met de warmteafvoer veroorzaken en kan leiden tot warmteontwikkeling, wat kan leiden tot een thermische gebeurtenis. Gewoonlijk faalt de MOSFET die wordt gebruikt voor de dimmercircuits van de verlichting in 'resistieve modus'.

Een hittebestendige thermische beveiliging of RTP van TE Connectivity biedt een antwoord op MOSFET-storingen in AC-toepassingen bij lage temperaturen.

Dit apparaat werkt als een lage weerstand bij de normale bedrijfstemperaturen van de MOSFET. Hij is vrijwel direct op de MOSFET gemonteerd en kan daardoor de temperatuur nauwkeurig meten. Als de MOSFET om welke reden dan ook naar een hoge temperatuur drijft, wordt dit gedetecteerd door de RTP, en bij een vooraf gedefinieerde temperatuur verandert de RTP in een hoogwaardige weerstand.

Dit sluit effectief de stroom naar de MOSFET af, waardoor deze niet wordt vernietigd. Dus een goedkopere weerstand offert zichzelf op om een ​​duurdere MOSFET te redden. Een vergelijkbare analogie zou het gebruik van een zekering (laagwaardig materiaal) kunnen zijn bij het beveiligen van complexere schakelingen (bijv. Een televisie).

Een van de meest interessante aspecten van de RTP van TE Connectivity is het vermogen om enorme temperaturen te weerstaan ​​- tot wel 260ºC. Dit is verrassend aangezien de weerstandsverandering (ter bescherming van de MOSFET) gewoonlijk optreedt bij ongeveer 140ºC.

Deze wonderbaarlijke prestatie wordt bereikt via een innovatief ontwerp door TE Connectivity. De RTP moet worden geactiveerd voordat het de MOSFET begint te beschermen. De elektronische activering van de RTP vindt plaats nadat het stroomsolderen (bevestiging) is voltooid. Elke RTP moet individueel worden ingeschakeld door gedurende een bepaalde tijd een gespecificeerde stroom door de activeringspin van de RTP te sturen.

De tijdstroomkarakteristieken maken deel uit van de specificaties van de RTP. Voordat het wordt ingeschakeld, zal de waarde van de weerstand van de RTP de gespecificeerde kenmerken volgen. Als het eenmaal is ingeschakeld, wordt de inschakelpin elektrisch open, waardoor verdere wijzigingen worden voorkomen.

Het is erg belangrijk dat de lay-out gespecificeerd door TE Connectivity wordt gevolgd bij het ontwerpen en monteren van de MOSFET en de RTP op de printplaat. Omdat de RTP de temperatuur van de MOSFET moet voelen, volgt daaruit natuurlijk dat de twee dicht bij elkaar moeten blijven.

De RTP-weerstand zal tot 80A stroom bij 120V AC door de MOSFET toelaten zolang de temperatuur van de MOSFET onder de Open Temperatuur van de RTP blijft, die tussen 135-145 ºC kan liggen.




Vorige: Spanningsregelaars 78XX parallel aansluiten voor hoge stroom Volgende: Eenfase VFD-circuit met variabele frequentie-aandrijving