Come proteggere i MOSFET - Spiegazione delle basi

In questo post impariamo in modo completo come proteggere i mosfet e prevenire la masterizzazione dei mosfet nei circuiti elettronici seguendo alcune linee guida di base relative al corretto layout del PCB e un'attenta gestione manuale di questi dispositivi sensibili.

introduzione

Anche dopo aver collegato tutto correttamente, i mosfet nel tuo circuito diventano CALDI e si spengono in pochi minuti. Questo è un problema abbastanza comune affrontato dalla maggior parte degli hobbisti nuovi ed esperti durante la progettazione e l'ottimizzazione dei circuiti basati su mosfet, in particolare quelli che coinvolgono le alte frequenze.

Ovviamente, collegare correttamente tutte le parti secondo i dettagli forniti è la cosa principale che deve essere controllata e confermata prima di assumere altri problemi, perché a meno che le cose fondamentali non siano messe assolutamente a posto sarebbe inutile rintracciare gli altri bug nascosti nel tuo circuito .

L'applicazione di base della protezione Mosfet diventa critica in particolare in quei circuiti che coinvolgono alte frequenze nell'ordine di molti kHz. Questo perché le applicazioni ad alta frequenza richiedono l'accensione e lo spegnimento rapidi (entro ns) dei dispositivi che a loro volta richiedono un'efficace implementazione di tutti i criteri associati direttamente o indirettamente alla commutazione interessata.

Quindi quali sono i principali ostacoli che causano una commutazione impropria o inefficiente dei mosfet, impariamo in modo completo come proteggere i mosfet con i seguenti punti.

Sbarazzarsi dell'induttanza dispersa:

Il bug più comune e principale nella coda è l'induttanza dispersa che può essere nascosta all'interno delle tracce del circuito. Quando la frequenza e la corrente di commutazione sono elevate, anche un minimo aumento non necessario nel percorso di connessione che è la traccia PCB può provocare un'induttanza interconnessa che a sua volta può influenzare drasticamente il comportamento del mosfet a causa di conduzione inefficiente, transitori e picchi.

Per eliminare questo problema si consiglia vivamente di mantenere le tracce più larghe e di tenere i dispositivi IL PIÙ VICINO POSSIBILE tra loro e al driver IC che vengono utilizzati per pilotare i rispettivi mosfet.

Ecco perché SMD è preferito ed è il modo migliore per eliminare l'induttanza incrociata tra i componenti, inoltre l'uso di PCB a doppia faccia aiuta a controllare il problema grazie alle sue brevi connessioni 'stampate a foro passante' tra i componenti.

Anche l'altezza dei mosfet deve essere ridotta al minimo inserendo il cavo il più in profondità possibile nel PCB, l'uso di SMD è probabilmente l'opzione migliore.

Sappiamo tutti che i mosfet includono condensatori incorporati che richiedono la carica e la scarica per far funzionare il dispositivo.

Fondamentalmente questi condensatori sono collegati attraverso gate / source e gate / drain. I mosfet 'non gradiscono' la carica e lo scaricamento ritardato prolungato della sua capacità poiché questi sono direttamente correlati alla sua efficienza.

Collegare i mosfet direttamente all'uscita di una sorgente logica potrebbe sembrare risolvere questo problema, perché la sorgente logica potrebbe facilmente commutare e ridurre rapidamente la capacità da Vcc a zero, e viceversa a causa dell'assenza di qualsiasi ostacolo sul suo percorso.

Tuttavia, l'implementazione della considerazione di cui sopra potrebbe anche portare alla generazione di transitori e picchi negativi con ampiezze pericolose attraverso lo scarico e il gate, rendendo il mosfet vulnerabile ai picchi generati a causa dell'improvvisa commutazione di corrente elevata attraverso drain / source.

Ciò potrebbe facilmente rompere la separazione del silicio tra le sezioni del mosfet rendendo un cortocircuito all'interno del dispositivo e danneggiandolo in modo permanente.

Importanza della resistenza al cancello:

Per eliminare il problema di cui sopra, si consiglia di utilizzare un resistore di basso valore in serie con l'ingresso logico e il gate mosfet.

Con frequenze relativamente più basse (da 50 Hz a 1kHz), il valore potrebbe essere compreso tra 100 e 470 ohm, mentre per frequenze superiori a questo il valore potrebbe essere compreso tra 100 ohm, per frequenze molto più alte (10kHz e superiori) questo non deve superare i 50 ohm .

La considerazione di cui sopra consente la carica esponenziale o la carica graduale dei condensatori interni riducendo o attenuando le possibilità di picchi negativi attraverso i pin di drain / gate.

Utilizzo dei diodi inversi:

Nella considerazione precedente, una carica esponenziale della capacità del gate riduce le possibilità di picchi ma ciò significa anche che la scarica della capacità coinvolta sarebbe ritardata a causa della resistenza nel percorso dell'ingresso logico, ogni volta che passa a zero logico. Provocare una scarica ritardata significherebbe costringere il mosfet a condurre in condizioni di stress, rendendolo inutilmente più caldo.

Includere un diodo inverso parallelo al resistore di gate è sempre una buona pratica e affronta semplicemente la scarica ritardata del gate fornendo un percorso continuo per la scarica del gate attraverso il diodo e nell'ingresso logico.

I punti sopra menzionati riguardanti la corretta implementazione dei mosfet possono essere facilmente inseriti in qualsiasi circuito al fine di salvaguardare i mosfet da misteriosi malfunzionamenti e bruciature.

Anche in applicazioni complicate come circuiti driver mosfet half-bridge o full bridge insieme ad alcune protezioni aggiuntive consigliate.

Utilizzo di un resistore tra gate e source

Sebbene non abbiamo indicato questa inclusione nelle immagini precedenti, ciò è fortemente consigliato per salvaguardare il mosfet dal soffio in tutte le circostanze.

Quindi, in che modo un resistore attraverso gate / source fornisce una protezione garantita?

Ebbene, normalmente i mosfet hanno la tendenza ad agganciarsi ogni volta che viene applicata una tensione di commutazione, questo effetto di aggancio a volte può essere difficile da ripristinare e quando viene applicata una corrente di commutazione opposta è già troppo tardi.

Il resistore menzionato assicura che non appena il segnale di commutazione viene rimosso il mosfet è in grado di spegnersi rapidamente e prevenire un possibile danno.

Questo valore di resistenza potrebbe essere compreso tra 1K e 10K, tuttavia valori inferiori fornirebbero risultati migliori e più efficaci.

Protezione contro le valanghe

I MOSFET possono subire danni se la loro temperatura di giunzione aumenta improvvisamente oltre il limite tollerabile a causa di condizioni di sovratensione sui diodi del corpo interno. Questo evento è definito come valanga nei MOSFET.

Il problema può sorgere quando un carico induttivo viene utilizzato sul lato di drenaggio del dispositivo e durante i periodi di spegnimento del MOSFET l'EMF inverso dell'induttore che passa attraverso il diodo del corpo del MOSFET diventa troppo alto, causando un improvviso aumento delle temperature di giunzione del MOSFET, e la sua rottura.

Il problema può essere risolto aggiungendo un diodo esterno ad alta potenza attraverso i terminali di drain / source dei MOSFET, in modo che la corrente inversa sia condivisa tra i diodi e la generazione di calore in eccesso venga eliminata.

Protezione dei mosfet nei circuiti H-Bridge dalla combustione

Durante l'utilizzo di un circuito driver full bridge che coinvolge un driver IC come l'IR2110 oltre a quanto sopra, i seguenti aspetti dovrebbero essere annoiati (ne parlerò in dettaglio in uno dei miei prossimi articoli presto)

• Aggiungere un condensatore di disaccoppiamento vicino ai piedini di alimentazione del circuito integrato del driver, questo ridurrà i transitori di commutazione attraverso i piedini di alimentazione interni che a loro volta impediranno una logica di uscita innaturale ai gate mosfet.
• Utilizzare sempre condensatori di alta qualità a bassa ESD e bassa dispersione per il condensatore di bootstrap ed eventualmente utilizzarne un paio in parallelo. Utilizzare entro il valore consigliato indicato nella scheda tecnica.
• Collegare sempre i quattro interlink mosfet il più vicino possibile l'uno all'altro. Come spiegato sopra, questo ridurrà l'induttanza parassita attraverso i mosfet.
• E, collegare un condensatore di valore relativamente grande attraverso il positivo lato alto (VDD) e la terra lato basso (VSS), questo metterà effettivamente a terra tutta l'induttanza parassita che potrebbe nascondersi attorno alle connessioni.
• Unire il VSS, la massa del lato basso del mosfet e la massa dell'ingresso logico tutti insieme e terminare in un'unica massa spessa comune al terminale di alimentazione.
• Ultimo ma non meno importante lavare accuratamente la scheda con acetone o un agente anti-flusso simile per rimuovere tutte le possibili tracce del flusso di saldatura per evitare interruzioni e cortocircuiti nascosti.

Protezione dei mosfet dal surriscaldamento

I dimmer per illuminazione spesso soffrono di guasti ai MOSFET. La maggior parte dei dimmer utilizzati nelle applicazioni industriali CA a bassa temperatura sono racchiusi e spesso incorporati nella parete. Ciò può causare problemi di dissipazione del calore e può provocare un accumulo di calore, portando a un evento termico. Di solito, il MOSFET utilizzato per i circuiti dimmer dell'illuminazione si guasta in 'modalità resistiva'.

Una protezione termica reflow o RTP di TE Connectivity fornisce una risposta al guasto del MOSFET nelle applicazioni CA a bassa temperatura.

Questo dispositivo agisce come un resistore di basso valore alle normali temperature di funzionamento del MOSFET. È montato quasi direttamente sul MOSFET, ed è quindi in grado di rilevare la temperatura con precisione. Se per qualsiasi motivo, il MOSFET va alla deriva in una condizione di alta temperatura, questo viene rilevato dall'RTP e, a una temperatura predefinita, l'RTP si trasforma in un resistore di alto valore.

Questo interrompe efficacemente l'alimentazione al MOSFET, salvandolo dalla distruzione. Pertanto, un resistore di prezzo inferiore si sacrifica per risparmiare un MOSFET più costoso. Un'analogia simile potrebbe essere l'uso di un fusibile (materiale di basso valore) per proteggere circuiti più complessi (ad esempio un televisore).

Uno degli aspetti più interessanti dell'RTP di TE Connectivity è la sua capacità di resistere a temperature enormi, fino a 260 ° C. Ciò è sorprendente poiché il cambiamento di resistenza (per proteggere il MOSFET) di solito avviene a circa 140 ° C.

Questa impresa miracolosa si ottiene grazie al design innovativo di TE Connectivity. L'RTP deve essere attivato prima che inizi a proteggere il MOSFET. L'attivazione elettronica dell'RTP avviene dopo il completamento della saldatura a flusso (allegato). Ogni RTP deve essere armato individualmente inviando una corrente specifica tramite il pin di inserimento dell'RTP per un tempo specificato.

Le caratteristiche tempo-corrente fanno parte delle specifiche dell'RTP. Prima che sia armato, il valore del resistore dell'RTP seguirà le caratteristiche specificate. Tuttavia, una volta inserito, il perno di inserimento si aprirà elettricamente, impedendo ulteriori modifiche.

È molto importante seguire il layout specificato da TE Connectivity durante la progettazione e il montaggio del MOSFET e dell'RTP sul PCB. Poiché l'RTP deve rilevare la temperatura del MOSFET, ne consegue naturalmente che i due dovrebbero rimanere molto vicini.

La resistenza RTP consentirà fino a 80 A di corrente a 120 V CA attraverso il MOSFET fintanto che la temperatura del MOSFET rimane al di sotto della temperatura di apertura dell'RTP, che può essere compresa tra 135-145 ° C.