Paano Protektahan ang MOSFETs - Ipinaliwanag ang Mga Pangunahing Kaalaman

Sa post na ito komprehensibong natutunan namin kung paano protektahan ang mga mosfet at maiwasan ang pagkasunog ng mosfet sa mga elektronikong circuit sa pamamagitan ng pagsunod sa ilang pangunahing mga patnubay na nauugnay sa tamang layout ng PCB, at maingat na manu-manong paghawak ng mga sensitibong aparato na ito.

Panimula

Kahit na pagkatapos ng pagkonekta nang tama sa lahat ay nahanap mo ang mga mosfet sa iyong circuit na naging HOT at pamumulaklak sa loob ng ilang minuto. Ito ay isang pangkaraniwang isyu na kinakaharap ng karamihan sa mga bago pati na rin ang mga nakaranasang libangan habang nagdidisenyo at na-optimize ang mga circuit na batay sa mosfet lalo na ang mga nagsasangkot ng matataas na dalas.

Malinaw na, ang pagkonekta nang tama ng lahat ng mga bahagi ayon sa naibigay na mga detalye ay ang pangunahing bagay na kailangang suriin at kumpirmahin muna bago ipagpalagay ang iba pang mga isyu, sapagkat maliban kung ang mga pangunahing bagay ay inilalagay na ganap na tama ay walang katuturan sa pagsunod sa iba pang mga nakatagong mga bug sa iyong circuit .

Ang pangunahing aplikasyon ng proteksyon ng Mosfet ay nagiging kritikal na partikular sa mga circuit na nagsasangkot ng mataas na frequency sa pagkakasunud-sunod ng maraming kHz. Ito ay dahil ang mga application ng mataas na dalas ay tumatawag para sa mabilis (sa loob ng ns) na ON at OFF ng mga aparato na kung saan ay humihingi ng mahusay na pagpapatupad ng lahat ng mga pamantayan na nauugnay nang direkta o hindi direkta sa nag-aalala na paglipat.

Kaya't ano ang mga pangunahing hadlang na sanhi ng hindi wasto o hindi mabisang paglipat ng mga mosfet, alamin natin ang komprehensibo kung paano protektahan ang mga mosfet sa mga sumusunod na puntos.

Tanggalin ang Stray Inductance:

Ang pinakakaraniwan at pangunahing bug sa que ay ang stray inductance na maaaring maitago sa loob ng mga circuit track. Kapag ang dalas at kasalukuyang paglipat ay mataas, kahit na ang kaunting hindi kinakailangang pagtaas sa path ng pagkonekta na ang track ng PCB ay maaaring magresulta sa inter-link inductance na kung saan ay maaaring makaapekto sa pag-uugali ng mosfet nang husto dahil sa hindi mabisang pagpapadaloy, mga lumilipat at mga pako.

Upang mapupuksa ang isyung ito, masidhing inirerekomenda na panatilihin ang mga track na mas malawak at panatilihin ang mga aparato na mas malapit sa isa't isa at sa driver ng IC na ginagamit upang himukin ang kani-kanilang mga mosfet.

Iyon ang dahilan kung bakit ginustong ang SMD at ang pinakamahusay na paraan ng pag-aalis ng cross inductance sa mga bahagi, tumutulong din ang paggamit ng dobleng panig na PCB na kontrolin ang isyu dahil sa maikling koneksyon na 'naka-print-through-hole' sa mga bahagi.

Kahit na ang nakatayo na taas ng mga mosfet ay dapat dalhin sa pinakamaliit sa pamamagitan ng pagpasok ng tingga nang mas malalim hangga't maaari sa PCB, ang paggamit ng SMD ay marahil ang pinakamahusay na pagpipilian.

Alam nating lahat na may kasamang mga built-in na capacitor ang mga mosfet na nangangailangan ng pagsingil at paglabas upang maisagawa ang aparato.

Talaga ang mga capacitor na ito ay konektado sa buong gate / mapagkukunan at gate / alisan ng tubig. Ang Mosfets ay 'hindi gusto' matagal na naantala na pagsingil at paglabas ng kapasidad nito dahil ang mga ito ay direktang nauugnay sa kahusayan nito.

Ang pagkonekta ng mga mosfet nang direkta sa isang output ng mapagkukunan ng lohika ay maaaring mukhang malutas ang problemang ito, dahil ang mapagkukunan ng lohika ay madaling lumipat at ilubog ang capacitance mula sa Vcc hanggang sa zero nang mabilis, at kabaligtaran dahil sa kawalan ng anumang sagabal sa daanan nito.

Gayunpaman ang pagpapatupad ng pagsasaalang-alang sa itaas ay maaari ring humantong sa pagbuo ng mga transient at negatibong mga spike na may mga mapanganib na amplitude sa buong kanal at gate na ginagawang mahina ang mosfet sa nabuong mga spike dahil sa biglaang mataas na kasalukuyang paglipat sa kanal / pinagmulan.

Madali nitong masisira ang paghihiwalay ng silikon sa pagitan ng mga seksyon ng pag-render ng mosfet ng isang maikling circuit sa loob ng aparato, at permanenteng nasisira ito.

Kahalagahan ng Paglaban sa Gate:

Upang mapupuksa ang isyu sa itaas inirerekumenda na gumamit ng mababang halaga ng risistor sa serye na may input ng lohika at gate ng mosfet.

Sa medyo mas mababang mga frequency (50 Hz hanggang 1kHz), ang halaga ay maaaring kahit saan sa pagitan ng 100 at 470 ohms, habang para sa mga frequency sa itaas nito ang halaga ay maaaring nasa loob ng 100 ohms, para sa mas mataas na mga frequency (10kHz at sa itaas) hindi ito dapat lumagpas sa 50 ohms .

Pinapayagan ng pagsasaalang-alang sa itaas ang exponential na pagsingil o unti-unting pagsingil ng panloob na mga capacitor na binabawasan o napapansin ang mga pagkakataon ng mga negatibong spike sa mga drain / pin ng pintura.

Paggamit ng Mga Reverse Diode:

Sa pagsasaalang-alang sa itaas ng isang exponential na pagsingil ng capacitance ng gate ay binabawasan ang mga pagkakataon ng mga spike ngunit nangangahulugan din ito na ang pagpapalabas ng kasangkot na capacitance ay maaantala dahil sa paglaban sa landas ng pag-input ng lohika, sa tuwing lumilipat ito sa zero ng lohika. Ang sanhi ng isang naantalang paglabas ay nangangahulugang pagpwersa sa mosfet na magsagawa sa ilalim ng mga nakababahalang kondisyon, na ginagawang hindi kinakain ang pag-init.

Ang pagsasama ng isang reverse diode na kahanay ng resistor ng gate ay palaging isang mahusay na kasanayan, at tinutugunan lamang ang naantala na paglabas ng gate sa pamamagitan ng pagbibigay ng isang tuloy-tuloy na landas para sa paglabas ng gate sa pamamagitan ng diode at sa input ng lohika.

Ang mga nabanggit na puntos na patungkol sa tamang pagpapatupad ng mga mosfet ay madaling maisama sa anumang circuit upang mapangalagaan ang mga mosfet mula sa misteryosong malfunction at pagkasunog.

Kahit na sa mga kumplikadong aplikasyon tulad ng kalahating tulay o buong tulay na mosfet driver circuit kasama ang ilang mga karagdagang inirekumendang proteksyon.

Paggamit ng isang Resistor Sa Pagitan ng Gate at Pinagmulan

Bagaman hindi namin ipinahiwatig ang pagsasama na ito sa nakaraang mga imahe, masidhing inirerekomenda na ingatan ang mosfet mula sa paghihip ng ilalim ng lahat ng mga pangyayari.

Kaya paano ang isang risistor sa kabuuan ng gate / mapagkukunan ay nagbibigay ng isang garantisadong proteksyon?

Sa gayon, normal na ang mga mosfet ay may ugali na magbalot tuwing inilalapat ang isang boltahe ng paglipat, ang epekto ng pagdidikit na ito ay paminsan-minsan ay mahirap na ibalik, at sa oras na ang isang kabaligtaran na kasalukuyang paglipat ay nalalapat na huli na.

Tinitiyak ng nabanggit na risistor na sa lalong madaling matanggal ang switching signal ay mabilis na ma-OFF ang mosfet, at maiwasan ang posibleng pinsala.

Ang halaga ng risistor na ito ay maaaring saanman sa pagitan ng 1K at 10K, subalit ang mas mababang mga halaga ay magbibigay ng mas mahusay at mas mabisang mga resulta.

Proteksyon ng Avalanche

Ang mga MOSFET ay maaaring mapinsala kung ang temperatura ng junction nito ay biglang tumaas lampas sa matitiis na limitasyon dahil sa higit sa mga kondisyon ng boltahe sa mga panloob na body diode. Ang paglitaw na ito ay tinatawag na avalanche sa MOSFETs.

Ang problema ay maaaring lumitaw kapag ang isang inductive load ay ginagamit sa kanal ng alisan ng aparato, at sa panahon ng paglipat ng MOSFET OFF ay ang reverse EMF ng inductor na dumadaan sa MOSFET body diode ay naging masyadong mataas, na nagdudulot ng biglaang pagtaas ng temperatura ng junction ng MOSFET, at pagkasira nito.

Ang problema ay maaaring malutas sa pamamagitan ng pagdaragdag ng isang panlabas na high power diode sa mga drain / source terminal ng MOSFETs, upang ang reverse current ay ibinahagi sa mga diode, at ang labis na pagbuo ng init ay natanggal.

Pagprotekta sa mga Mosfet sa H-Bridge Circuits mula sa Burning

Habang gumagamit ng isang buong circuit ng driver ng tulay na kinasasangkutan ng isang driver ng IC tulad ng IR2110 bilang karagdagan sa nabanggit, ang mga sumusunod na aspeto ay dapat na nababagabag sa isipan (Tatalakayin ko ito sa mga detalye sa isa sa aking paparating na mga artikulo sa lalong madaling panahon)

• Magdagdag ng isang decoupling capacitor na malapit sa mga driver ng pinout ng suplay ng IC, babawasan nito ang mga lumilipat na lumipat sa mga panloob na pinout ng supply na hahadlang sa hindi likas na lohika ng output sa mga gate ng mosfet.
• Palaging gumamit ng mataas na kalidad na mababang ESD, mababang uri ng tagas ng mga capacitor para sa bootstrapping capacitor at posibleng gumamit ng ilang mga ito sa kahanay. Gumamit sa loob ng inirekumendang halagang ibinigay sa datasheet.
• Palaging ikonekta ang apat na mga link ng mosfet hangga't maaari sa bawat isa. Tulad ng ipinaliwanag sa itaas ay bawasan ang stray inductance sa mga mosfet.
• AT, ikonekta ang isang medyo malaking halaga capacitor sa kabuuan ng positibong mataas na bahagi (VDD), at sa mababang bahagi ng lupa (VSS), epektibo nitong babagsak ang lahat ng ligaw na inductance na maaaring nagtatago sa paligid ng mga koneksyon.
• Sumali sa VSS, ang mosfet mababang bahagi ng lupa, at ang lohika input ground lahat ng sama-sama, at wakasan sa isang solong karaniwang makapal na lupa sa supply terminal.
• Huling ngunit hindi bababa sa hugasan ang board nang lubusan sa acetone o katulad na anti-flux agent upang maalis ang lahat ng posibleng mga bakas ng soldering flux para sa pag-iwas sa mga nakatagong koneksyon at shorts.

Pagprotekta sa mga Mosfet mula sa OverHeating

Ang mga dimmer ng ilaw ay madalas na nagdurusa mula sa mga pagkabigo ng MOSFET. Karamihan sa mga dimmer na ginamit sa mababang temperatura na AC pang-industriya na aplikasyon ay nakapaloob at madalas na naka-embed sa dingding. Maaari itong maging sanhi ng mga isyu sa pagwawaldas ng init, at maaaring magresulta sa pagbuo ng init - na hahantong sa isang thermal na kaganapan. Kadalasan, ang MOSFET na ginamit para sa mga ilaw dimmer circuit ay nabigo sa 'resistive mode'.

Ang isang reflow na may kakayahang thermal protection o RTP mula sa TE Connectivity ay nagbibigay ng isang sagot sa pagkabigo ng MOSFET sa mga aplikasyon ng AC na may mababang temperatura.

Gumaganap ang aparatong ito tulad ng isang resistor na may mababang halaga sa normal na temperatura ng pagpapatakbo ng MOSFET. Ito ay naka-mount halos direkta sa MOSFET, at samakatuwid ay maaaring maunawaan ang temperatura nang may katumpakan. Kung sa anumang kadahilanan, ang MOSFET ay lumipat sa isang mataas na kondisyon ng temperatura, ito ay nadama ng RTP, at sa isang paunang natukoy na temperatura, ang RTP ay nagbabago sa isang resistor na may mataas na halaga.

Epektibong pinuputol nito ang lakas sa MOSFET, nai-save ito mula sa pagkawasak. Kaya, ang isang mas mababang presyo na risistor ay isakripisyo ang sarili upang makatipid ng isang mas mahal na MOSFET. Ang isang katulad na pagkakatulad ay maaaring ang paggamit ng isang piyus (materyal na may mababang halaga) sa pagprotekta sa mas kumplikadong circuitry (hal. Isang telebisyon).

Ang isa sa mga pinaka-kagiliw-giliw na aspeto ng RTP mula sa TE Connectivity ay ang kakayahang makatiis ng napakalaking temperatura - hanggang sa 260ºC. Ito ay nakakagulat dahil ang pagbabago ng paglaban (upang maprotektahan ang MOSFET) ay karaniwang nangyayari sa paligid ng 140ºC.

Ang kamangha-manghang gawa na ito ay nagagawa sa pamamagitan ng makabagong disenyo ng TE Connectivity. Ang RTP ay dapat na buhayin bago magsimula itong protektahan ang MOSFET. Ang elektronikong pagsasaaktibo ng RTP ay nangyayari pagkatapos makumpleto ang flow soldering (attachment). Ang bawat RTP ay dapat na indibidwal na armado sa pamamagitan ng pagpapadala ng isang tinukoy na kasalukuyang sa pamamagitan ng arming pin ng RTP para sa isang tinukoy na oras.

Ang mga katangian na kasalukuyang oras ay bahagi ng mga pagtutukoy ng RTP. Bago ito armado, ang halaga ng risistor ng RTP ay susundan ng tinukoy na mga katangian. Gayunpaman, sa sandaling ito ay armado, ang arming pin ay magiging bukas sa elektrisidad - na pumipigil sa mga karagdagang pagbabago.

Napakahalaga na ang layout na tinukoy ng TE Connectivity ay susundan kapag ang pagdidisenyo at pag-mount ng MOSFET at ang RTP sa PCB. Dahil kailangang maunawaan ng RTP ang temperatura ng MOSFET, natural na sumusunod na ang dalawa ay dapat manatili sa malapit.

Papayagan ng paglaban ng RTP ang hanggang sa 80A ng kasalukuyang sa 120V AC sa pamamagitan ng MOSFET basta ang temperatura ng MOSFET ay mananatili sa ibaba ng Bukas na Temperatura ng RTP, na maaaring nasa pagitan ng 135-145ºC.