Как защитить полевые МОП-транзисторы - основные сведения

В этом посте мы подробно узнаем, как защитить МОП-транзисторы и предотвратить сжигание МОП-транзисторов в электронных схемах, следуя некоторым основным рекомендациям, связанным с правильной компоновкой печатной платы, и осторожным ручным обращением с этими чувствительными устройствами.

Вступление

Даже после правильного подключения вы обнаружите, что МОП-транзисторы в вашей цепи становятся ГОРЯЧИМИ и сдуваются в течение нескольких минут. Это довольно распространенная проблема, с которой сталкиваются как новички, так и опытные любители при проектировании и оптимизации схем на основе МОП-транзисторов, особенно тех, которые связаны с высокими частотами.

Очевидно, что правильное соединение всех частей в соответствии с данными деталями - это главное, что необходимо сначала проверить и подтвердить, прежде чем принимать на себя другие проблемы, потому что, если фундаментальные вещи не будут абсолютно правильными, будет бессмысленно отслеживать другие скрытые ошибки в вашей схеме. .

Применение базовой защиты Mosfet становится критичным, особенно в тех схемах, в которых используются высокие частоты порядка многих кГц. Это связано с тем, что высокочастотные приложения требуют быстрого (в пределах нс) включения и выключения устройств, что, в свою очередь, требует эффективного выполнения всех критериев, прямо или косвенно связанных с соответствующим переключением.

Итак, каковы основные препятствия, которые вызывают неправильное или неэффективное переключение МОП-транзисторов, давайте подробно изучим, как защитить МОП-транзисторы, с помощью следующих пунктов.

Избавьтесь от блуждающей индуктивности:

Самая распространенная и основная ошибка в очереди - паразитная индуктивность, которая может быть скрыта внутри дорожек цепи. Когда частота переключения и ток высокие, даже малейшее ненужное увеличение соединительного пути, который является дорожкой печатной платы, может привести к взаимосвязанной индуктивности, которая, в свою очередь, может сильно повлиять на поведение полевого транзистора из-за неэффективной проводимости, переходных процессов и пиков.

Чтобы избавиться от этой проблемы, настоятельно рекомендуется сделать дорожки шире, а устройства - как можно ближе друг к другу и к микросхеме драйвера, которая используется для управления соответствующими МОП-транзисторами.

Вот почему SMD является предпочтительным и является лучшим способом устранения перекрестной индуктивности между компонентами, а также использование двусторонней печатной платы помогает контролировать проблему из-за ее коротких соединений через сквозные отверстия между компонентами.

Даже высота установки mosfet должна быть сведена к минимуму, вставив вывод как можно глубже в печатную плату, использование SMD, вероятно, является лучшим вариантом.

Все мы знаем, что МОП-транзисторы включают встроенные конденсаторы, которые требуют зарядки и разрядки, чтобы устройство работало.

Обычно эти конденсаторы подключаются через затвор / исток и затвор / сток. Мосфеты «не любят» длительную отложенную зарядку и разрядку его емкости, поскольку они напрямую связаны с его эффективностью.

Может показаться, что подключение МОП-транзисторов напрямую к выходу логического источника решает эту проблему, поскольку логический источник может легко переключать и быстро понижать емкость с Vcc до нуля, и наоборот из-за отсутствия каких-либо препятствий на своем пути.

Однако реализация вышеизложенного может также привести к генерации переходных процессов и отрицательных всплесков с опасными амплитудами на стоке и затворе, что делает МОП-транзистор уязвимым для генерируемых всплесков из-за внезапного переключения высокого тока через сток / исток.

Это может легко нарушить кремниевое разделение между секциями МОП-транзистора, что приведет к короткому замыканию внутри устройства и его необратимому повреждению.

Важность сопротивления ворот:

Чтобы избавиться от вышеупомянутой проблемы, рекомендуется использовать резистор малой мощности последовательно с логическим входом и затвором mosfet.

При относительно более низких частотах (от 50 Гц до 1 кГц) значение может быть в пределах от 100 до 470 Ом, в то время как для частот выше этого значение может быть в пределах 100 Ом, для гораздо более высоких частот (10 кГц и выше) оно не должно превышать 50 Ом. .

Вышеупомянутое соображение позволяет экспоненциально заряжать или постепенно заряжать внутренние конденсаторы, уменьшая или уменьшая вероятность отрицательных выбросов на выводах стока / затвора.

Использование обратных диодов:

В приведенном выше рассмотрении экспоненциальная зарядка емкости затвора снижает вероятность всплесков, но это также означает, что разрядка задействованной емкости будет задерживаться из-за сопротивления на пути логического входа каждый раз, когда он переключается на логический ноль. Задержка разряда будет означать, что МОП-транзистор будет работать в стрессовых условиях, что сделает его излишне теплее.

Включение обратного диода параллельно резистору затвора всегда является хорошей практикой и просто решает проблему отложенного разряда затвора, обеспечивая непрерывный путь для разряда затвора через диод на логический вход.

Вышеупомянутые пункты, касающиеся правильной реализации МОП-транзисторов, могут быть легко включены в любую схему, чтобы защитить МОП-транзисторы от загадочных неисправностей и возгорания.

Даже в сложных приложениях, таких как полумостовые или полные мостовые схемы драйверов MOSFET, вместе с некоторыми дополнительными рекомендуемыми средствами защиты.

Использование резистора между затвором и истоком

Хотя мы не указывали это включение на предыдущих изображениях, это настоятельно рекомендуется для защиты MOSFET от взрыва при любых обстоятельствах.

Так как же резистор между затвором / истоком обеспечивает гарантированную защиту?

Что ж, обычно МОП-транзисторы имеют тенденцию блокироваться при подаче напряжения переключения, этот эффект фиксации иногда бывает трудно вернуть, и к тому времени, когда применяется противоположный ток переключения, уже слишком поздно.

Упомянутый резистор гарантирует, что как только сигнал переключения будет удален, МОП-транзистор сможет быстро выключиться и предотвратить возможное повреждение.

Это значение резистора может быть от 1 кОм до 10 кОм, однако более низкие значения обеспечат лучшие и более эффективные результаты.

Защита от лавин

МОП-транзисторы могут быть повреждены, если температура их перехода внезапно превысит допустимый предел из-за условий перенапряжения на внутренних диодах корпуса. Это явление называется лавиной в полевых МОП-транзисторах.

Проблема может возникнуть, когда на стороне стока устройства используется индуктивная нагрузка, и во время периодов выключения полевого МОП-транзистора обратная ЭДС индуктора, проходящая через основной диод полевого МОП-транзистора, становится слишком высокой, вызывая внезапное повышение температуры перехода полевого МОП-транзистора и его поломка.

Проблему можно решить, добавив внешний высокомощный диод к клеммам сток / исток полевых МОП-транзисторов, чтобы обратный ток распределялся между диодами и исключалось избыточное тепловыделение.

Защита МОП-транзисторов в цепях с H-образным мостом от возгорания

При использовании полной мостовой схемы драйвера, включающей в себя микросхему драйвера, такую ​​как IR2110, в дополнение к вышеизложенному, следует помнить о следующих аспектах (я подробно расскажу об этом в одной из моих будущих статей)

• Добавьте развязывающий конденсатор рядом с выводами питания микросхемы драйвера, это уменьшит переходные процессы переключения между выводами внутреннего источника питания, что, в свою очередь, предотвратит неестественную логику вывода на затворы MOSFET.
• Всегда используйте высококачественные конденсаторы с низким уровнем электростатических разрядов и малой утечкой для конденсатора начальной загрузки и, возможно, используйте пару из них параллельно. Используйте в пределах рекомендованного значения, указанного в таблице.
• Всегда подключайте четыре межсоединения MOSFET как можно ближе друг к другу. Как объяснялось выше, это снизит паразитную индуктивность на МОП-транзисторах.
• И подключите относительно большой конденсатор к положительному полюсу высокого напряжения (VDD) и заземлению низкого уровня (VSS), это эффективно заземлит всю паразитную индуктивность, которая может скрываться вокруг соединений.
• Соедините VSS, заземление на стороне низкого напряжения МОП-транзистора и заземление логического входа вместе и подключитесь к единому общему толстому заземлению для клеммы питания.
• И наконец, что не менее важно, тщательно промойте плату ацетоном или аналогичным антифлюсовым средством, чтобы удалить все возможные следы паяльного флюса, чтобы избежать скрытых межсоединений и коротких замыканий.

Защита МОП-транзисторов от перегрева

Диммеры освещения часто страдают от отказов MOSFET. Большинство диммеров, используемых в низкотемпературных промышленных системах переменного тока, закрыты и часто встраиваются в стену. Это может вызвать проблемы с отводом тепла и может привести к накоплению тепла, что приведет к тепловому событию. Обычно полевой МОП-транзистор, используемый для схем диммера освещения, выходит из строя в «резистивном режиме».

Тепловая защита с возможностью оплавления или RTP от TE Connectivity обеспечивает ответ на отказ MOSFET в низкотемпературных приложениях переменного тока.

Это устройство действует как маломощный резистор при нормальных рабочих температурах полевого МОП-транзистора. Он устанавливается почти прямо на полевой МОП-транзистор и поэтому может точно измерять температуру. Если по какой-либо причине полевой МОП-транзистор переходит в состояние высокой температуры, это регистрируется RTP, и при заранее определенной температуре RTP превращается в резистор с большим номиналом.

Это эффективно отключает питание полевого МОП-транзистора, спасая его от разрушения. Таким образом, более дешевый резистор жертвует собой ради экономии более дорогого полевого МОП-транзистора. Похожей аналогией может быть использование плавкого предохранителя (малоценный материал) для защиты более сложных схем (например, телевизора).

Одним из наиболее интересных аспектов RTP от TE Connectivity является его способность выдерживать огромные температуры - до 260ºC. Это удивительно, поскольку изменение сопротивления (для защиты полевого МОП-транзистора) обычно происходит при температуре около 140 ° C.

Это чудо стало возможным благодаря инновационному дизайну TE Connectivity. RTP должен быть активирован до того, как он начнет защищать MOSFET. Электронная активация RTP происходит после завершения проточной пайки (присоединения). Каждый RTP должен быть индивидуально поставлен на охрану, посылая определенный ток через вывод постановки на охрану RTP в течение определенного времени.

Время-токовые характеристики являются частью спецификаций RTP. Перед постановкой на охрану сопротивление резистора RTP будет соответствовать указанным характеристикам. Однако, как только он будет поставлен на охрану, штифт постановки на охрану станет электрически открытым, предотвращая дальнейшие изменения.

Очень важно, чтобы схема, указанная TE Connectivity, соблюдалась при проектировании и установке MOSFET и RTP на печатной плате. Поскольку RTP должен определять температуру полевого МОП-транзистора, из этого, естественно, следует, что они должны оставаться в непосредственной близости.

Сопротивление RTP позволяет пропускать через полевой МОП-транзистор током до 80 А при 120 В переменного тока, пока температура полевого МОП-транзистора остается ниже температуры открытия RTP, которая может составлять 135–145 ° C.