Com protegir els MOSFET: explicacions bàsiques

En aquest post aprenem de manera exhaustiva com protegir els mosfets i prevenir la cremada de mosfet als circuits electrònics seguint algunes pautes bàsiques relacionades amb el disseny correcte de PCB i la manipulació manual acurada d’aquests dispositius sensibles.

Introducció

Fins i tot després de connectar-ho tot correctament, els mosfets del vostre circuit s’escalfen i bufen en qüestió de minuts. Aquest és un problema força comú a què s’enfronten la majoria d’aficionats nous i experimentats mentre dissenyen i optimitzen circuits basats en mosfet, especialment aquells que impliquen freqüències altes.

Viouslybviament, connectar totes les parts correctament segons els detalls donats és el principal que s’ha de comprovar i confirmar abans d’assumir altres problemes, ja que a no ser que es posin les coses fonamentals correctament, no tindria sentit rastrejar la resta d’errors ocults del vostre circuit. .

L’aplicació bàsica de protecció Mosfet esdevé crítica específicament en aquells circuits que impliquen freqüències altes de l’ordre de molts kHz. Això es deu al fet que les aplicacions d’alta freqüència requereixen l’encesa i l’apagada ràpides (dins de ns) dels dispositius, que al seu torn requereixen una implementació eficient de tots els criteris associats directament o indirectament al canvi en qüestió.

Per tant, quins són els principals obstacles que provoquen un canvi inadequat o ineficient dels mosfets, aprenem de forma exhaustiva com protegir els mosfets amb els següents punts.

Desfer-se de la inductància perduda:

L'error més comú i principal a la que és la inductància perduda que es pot amagar a les pistes del circuit. Quan la freqüència i el corrent de commutació són elevats, fins i tot un mínim augment innecessari del recorregut de connexió que és la pista del PCB pot provocar una inductància interconnectada que al seu torn pot afectar dràsticament el comportament del mosfet a causa de la conducció ineficient, els transitoris i els pics.

Per desfer-se d’aquest problema, es recomana mantenir les pistes més amples i mantenir els dispositius tan a prop com sigui possible i de l’IC del controlador que s’utilitzen per conduir els respectius mosfets.

És per això que es prefereix SMD i és la millor manera d’eliminar la inductància creuada entre els components, també l’ús de PCB de doble cara ajuda a controlar el problema a causa de les seves curtes connexions “forades impreses” entre els components.

Fins i tot l’alçada de peu dels mosquetets s’ha de reduir al mínim inserint el cable el més profund possible al PCB, probablement la utilització de SMD sigui la millor opció.

Tots sabem que els mosfets inclouen condensadors integrats que requereixen una càrrega i una descàrrega per fer que el dispositiu funcioni.

Bàsicament, aquests condensadors es connecten a través de la porta / font i la porta / drenatge. Als Mosfets no els agrada la càrrega i la descàrrega retardades perllongades de la seva capacitat, ja que estan directament relacionades amb la seva eficiència.

Connectar els mosfets directament a una sortida de font lògica pot semblar solucionar aquest problema, perquè la font lògica canviaria i enfonsaria fàcilment la capacitat de Vcc a zero ràpidament, i viceversa a causa de l’absència d’obstacles al seu pas.

No obstant això, la implementació de la consideració anterior també podria conduir a la generació de transitoris i pics negatius amb amplituds perilloses a través del desguàs i la porta, fent que el mosfet sigui vulnerable als pics generats a causa del canvi sobtat de corrent elevat a través del drenatge / font.

Això podria trencar fàcilment la separació de silici entre les seccions del mosfet que produeix un curtcircuit a l'interior del dispositiu i es fa malbé permanentment.

Importància de la resistència a les portes:

Per desfer-se del problema anterior, es recomana utilitzar resistències de baix valor en sèrie amb l'entrada lògica i la porta del mosfet.

Amb freqüències relativament més baixes (de 50 Hz a 1 kHz), el valor podria estar entre 100 i 470 ohms, mentre que per a freqüències superiors a aquest, el valor podria estar dins de 100 ohms, per a freqüències molt més altes (10 kHz o més), aquest no ha de superar els 50 ohms .

La consideració anterior permet la càrrega exponencial o la càrrega gradual dels condensadors interns, reduint o reduint les possibilitats de pics negatius a través dels passadors de drenatge / porta.

Ús de díodes inversos:

En la consideració anterior, una càrrega exponencial de la capacitat de la porta redueix les possibilitats de pujades, però això també significa que la descàrrega de la capacitat implicada es retardaria a causa de la resistència en el recorregut de l'entrada lògica, cada vegada que canvia a la lògica zero. Provocar una descàrrega endarrerida significaria obligar el mosfet a dur a terme en condicions estressants, fent que sigui innecessàriament més càlid.

Incloure un díode invers paral·lel a la resistència de la porta és sempre una bona pràctica, i simplement aborda la descàrrega retardada de la porta proporcionant un camí continu per a la descàrrega de la porta a través del díode i a l'entrada lògica.

Els punts esmentats sobre la correcta implementació de mosfets es poden incloure fàcilment en qualsevol circuit per tal de protegir els mosfets de misteriosos malfuncions i cremades.

Fins i tot en aplicacions complicades, com ara circuits de control de mosfet de mig pont o pont complet juntament amb algunes proteccions addicionals recomanades.

Ús d’una resistència entre porta i font

Tot i que no hem indicat aquesta inclusió a les imatges anteriors, es recomana això per protegir el mosfet de no bufar en totes les circumstàncies.

Llavors, com proporciona una resistència a través de la porta / font una protecció garantida?

Bé, normalment els mosfets tenen la tendència a bloquejar-se sempre que s’aplica una tensió de commutació, de vegades és difícil revertir aquest efecte de bloqueig i, quan s’aplica un corrent de commutació oposat, ja és massa tard.

La resistència esmentada assegura que tan bon punt s’elimina el senyal de commutació, el mosfet es pot apagar ràpidament i evitar possibles danys.

Aquest valor de resistència podria estar entre 1K i 10K, però els valors més baixos proporcionarien resultats millors i més efectius.

Protecció contra allaus

Els MOSFET es poden danyar si la temperatura de la seva unió augmenta sobtadament més enllà del límit tolerable a causa de les condicions de sobretensió dels díodes corporals interns. Aquesta ocurrència es denomina allau als MOSFET.

El problema pot sorgir quan s’utilitza una càrrega inductiva al costat de drenatge del dispositiu i, durant els períodes d’APAGAMENT del MOSFET, la CEM inversa de l’inductor que passa pel díode corporal del MOSFET es fa massa alta, provocant un augment sobtat de les temperatures de la unió del MOSFET i el seu desglossament.

El problema es pot solucionar afegint un díode extern d’alta potència a través dels terminals de drenatge / font dels MOSFET, de manera que el corrent invers es comparteixi entre els díodes i s’elimini l’excés de generació de calor.

Protecció de Mosfets als circuits del pont H contra la crema

Tot i que utilitzeu un circuit de control de pont complet que implica un IC de controlador com l’IR2110, a més de l’anterior, s’haurien d’avorrir els següents aspectes (aviat ho parlaré en detalls en un dels meus propers articles)

• Afegiu un condensador de desacoblament a prop dels pinouts de subministrament IC del controlador, això reduirà els transitoris de commutació a través dels pinouts de subministrament interns que al seu torn evitaran una lògica de sortida no natural a les portes del mosfet.
• Utilitzeu sempre condensadors de baixa qualitat ESD i baixa fuita per al condensador d’arrencada i, possiblement, utilitzeu-ne un parell en paral·lel. Utilitzeu-lo dins del valor recomanat indicat al full de dades.
• Connecteu sempre els quatre enllaços de mosfet el més a prop possible. Com s'ha explicat anteriorment, això reduirà la inductància perduda entre els mosfets.
• I, connecteu un condensador de valor relativament gran a través del positiu del costat alt (VDD) i el terra del costat baix (VSS), això posarà a terra efectivament tota inductància perduda que es pugui amagar al voltant de les connexions.
• Uniu-vos a la VSS, la terra lateral baixa del mosfet i la terra d’entrada lògica tots junts, i finalitzeu en una sola terra gruixuda comuna al terminal de subministrament.
• Finalment, però no menys important, renteu bé la placa amb acetona o un agent anti-flux similar per tal d’eliminar totes les traces possibles del flux de soldadura per evadir les connexions i pantalons curts ocults.

Protecció dels Mosfets contra el sobreescalfament

Els reguladors d’il·luminació solen patir fallades del MOSFET. La majoria dels reguladors que s'utilitzen en aplicacions industrials de baixa temperatura estan tancats i sovint incrustats a la paret. Això pot causar problemes de dissipació de calor i pot provocar una acumulació de calor, cosa que provoca un esdeveniment tèrmic. Normalment, el MOSFET utilitzat per als circuits de regulació de la il·luminació falla en 'mode resistiu'.

Una protecció tèrmica amb capacitat de reflux o RTP de TE Connectivity proporciona una resposta a la fallada del MOSFET en aplicacions de CA de baixa temperatura.

Aquest dispositiu actua com una resistència de baix valor a les temperatures de funcionament normals del MOSFET. Es munta gairebé directament al MOSFET i, per tant, és capaç de detectar la temperatura amb precisió. Si per qualsevol motiu, el MOSFET es desplaça en condicions d’alta temperatura, això és detectat pel RTP i, a una temperatura predefinida, el RTP es transforma en una resistència d’alt valor.

Això efectivament talla l’alimentació del MOSFET i l’estalvia de la destrucció. Per tant, una resistència de menor preu es sacrifica per estalviar un MOSFET més car. Una analogia similar podria ser l’ús d’un fusible (material de baix valor) per protegir circuits més complexos (per exemple, un televisor).

Un dels aspectes més interessants del RTP de TE Connectivity és la seva capacitat per suportar enormes temperatures, fins a 260ºC. Això és sorprenent, ja que el canvi de resistència (per protegir el MOSFET) sol produir-se a uns 140ºC.

Aquesta miraculosa gesta s’aconsegueix mitjançant un disseny innovador de TE Connectivity. El RTP s'ha d'activar abans de començar a protegir el MOSFET. L'activació electrònica del RTP es produeix després de completar la soldadura de flux (adjunt). Cada RTP s'ha d'armar individualment enviant un corrent especificat a través del passador d'armament del RTP durant un temps especificat.

Les característiques temps-corrent formen part de les especificacions del RTP. Abans que s'armi, el valor de la resistència de l'RTP seguirà les característiques especificades. No obstant això, una vegada que estigui armat, el passador s'obrirà elèctricament, evitant nous canvis.

És molt important que es segueixi el disseny especificat per TE Connectivity en dissenyar i muntar el MOSFET i el RTP al PCB. Atès que el RTP ha de detectar la temperatura del MOSFET, es dedueix que els dos haurien de romandre molt a prop.

La resistència RTP permetrà fins a 80A de corrent a 120V CA a través del MOSFET sempre que la temperatura del MOSFET es mantingui per sota de la temperatura oberta del RTP, que pot estar entre 135-145ºC.