So schützen Sie MOSFETs - Grundlagen erklärt

In diesem Beitrag erfahren Sie umfassend, wie Sie Mosfets schützen und das Verbrennen von Mosfets in elektronischen Schaltkreisen verhindern, indem Sie einige grundlegende Richtlinien zum korrekten Leiterplattenlayout und zum sorgfältigen manuellen Umgang mit diesen empfindlichen Geräten befolgen.

Einführung

Selbst wenn Sie alles richtig angeschlossen haben, werden die Mosfets in Ihrem Stromkreis heiß und blasen innerhalb von Minuten ab. Dies ist ein weit verbreitetes Problem, mit dem die meisten neuen und erfahrenen Hobbyisten konfrontiert sind, wenn sie Schaltungen auf Mosfet-Basis entwerfen und optimieren, insbesondere solche mit hohen Frequenzen.

Offensichtlich ist das korrekte Anschließen aller Teile gemäß den angegebenen Details die Hauptsache, die zuerst überprüft und bestätigt werden muss, bevor andere Probleme angenommen werden, denn wenn die grundlegenden Dinge nicht absolut richtig gestellt werden, wäre es bedeutungslos, die anderen versteckten Fehler in Ihrer Schaltung aufzuspüren .

Die grundlegende Mosfet-Schutzanwendung wird speziell in solchen Schaltungen kritisch, die hohe Frequenzen in der Größenordnung von vielen kHz beinhalten. Dies liegt daran, dass Hochfrequenzanwendungen ein schnelles Ein- und Ausschalten der Geräte (innerhalb von ns) erfordern, was wiederum eine effiziente Implementierung aller Kriterien erfordert, die direkt oder indirekt mit der betreffenden Umschaltung verbunden sind.

Was sind also die Haupthindernisse, die zu einem unsachgemäßen oder ineffizienten Umschalten der Mosfets führen? Lassen Sie uns anhand der folgenden Punkte umfassend lernen, wie Mosfets geschützt werden.

Streuinduktivität loswerden:

Der häufigste und häufigste Fehler in der Warteschlange ist die Streuinduktivität, die in den Schaltungsspuren verborgen sein kann. Wenn die Schaltfrequenz und der Schaltstrom hoch sind, kann bereits eine geringfügige unnötige Erhöhung des Verbindungspfads, der die Leiterplattenspur darstellt, zu einer miteinander verbundenen Induktivität führen, die wiederum das Mosfet-Verhalten aufgrund ineffizienter Leitung, Transienten und Spitzen drastisch beeinflussen kann.

Um dieses Problem zu beheben, wird dringend empfohlen, die Spuren breiter zu halten und die Geräte so nah wie möglich aneinander und an dem Treiber-IC zu halten, mit dem die jeweiligen Mosfets angesteuert werden.

Aus diesem Grund wird SMD bevorzugt und ist der beste Weg, um die Querinduktivität zwischen den Komponenten zu beseitigen. Auch die Verwendung einer doppelseitigen Leiterplatte hilft bei der Kontrolle des Problems, da die Komponenten durch die Löcher hindurchgedruckt sind.

Sogar die Stehhöhe der Mosfets muss auf ein Minimum reduziert werden, indem das Kabel so tief wie möglich in die Leiterplatte eingeführt wird. Die Verwendung von SMD ist wahrscheinlich die beste Option.

Wir alle wissen, dass Mosfets eingebaute Kondensatoren enthalten, die geladen und entladen werden müssen, damit das Gerät funktioniert.

Grundsätzlich sind diese Kondensatoren über Gate / Source und Gate / Drain geschaltet. Mosfets mögen kein längeres verzögertes Laden und Entladen ihrer Kapazität, da diese in direktem Zusammenhang mit seiner Effizienz stehen.

Das direkte Anschließen der Mosfets an einen Logikquellenausgang scheint dieses Problem zu lösen, da die Logikquelle die Kapazität leicht von Vcc schnell auf Null schalten und senken würde und umgekehrt, da kein Hindernis auf ihrem Weg vorhanden ist.

Die Implementierung der obigen Überlegung könnte jedoch auch zur Erzeugung von Transienten und negativen Spitzen mit gefährlichen Amplituden über den Drain und das Gate führen, wodurch der Mosfet aufgrund des plötzlichen Hochstromschaltens über Drain / Source für die erzeugten Spitzen anfällig wird.

Dies könnte leicht die Siliziumtrennung zwischen den Abschnitten des Mosfets aufheben, wodurch ein Kurzschluss im Inneren des Geräts entsteht und es dauerhaft beschädigt wird.

Bedeutung des Torwiderstands:

Um das oben genannte Problem zu beheben, wird empfohlen, einen niederwertigen Widerstand in Reihe mit dem Logikeingang und dem Mosfet-Gate zu verwenden.

Bei relativ niedrigen Frequenzen (50 Hz bis 1 kHz) kann der Wert irgendwo zwischen 100 und 470 Ohm liegen, während bei Frequenzen darüber der Wert innerhalb von 100 Ohm liegen kann, bei viel höheren Frequenzen (10 kHz und darüber) darf dieser Wert 50 Ohm nicht überschreiten .

Die obige Überlegung ermöglicht ein exponentielles Laden oder ein allmähliches Laden der internen Kondensatoren, wodurch die Wahrscheinlichkeit negativer Spitzen über den Drain / Gate-Pins verringert oder abgestumpft wird.

Verwenden von Umkehrdioden:

In der obigen Überlegung verringert eine exponentielle Aufladung der Gate-Kapazität die Wahrscheinlichkeit von Spitzen, aber dies bedeutet auch, dass die Entladung der beteiligten Kapazität aufgrund des Widerstands im Pfad des Logikeingangs jedes Mal verzögert wird, wenn sie auf logische Null umschaltet. Eine verzögerte Entladung zu verursachen, würde bedeuten, den Mosfet zu zwingen, sich unter stressigen Bedingungen zu verhalten, was ihn unnötig wärmer macht.

Das Einschließen einer Sperrdiode parallel zum Gate-Widerstand ist immer eine gute Praxis und behebt einfach die verzögerte Entladung des Gates, indem ein kontinuierlicher Pfad für die Gate-Entladung durch die Diode und in den Logikeingang bereitgestellt wird.

Die oben genannten Punkte bezüglich der korrekten Implementierung von Mosfets können leicht in jeden Schaltkreis aufgenommen werden, um Mosfets vor mysteriösen Fehlfunktionen und Verbrennungen zu schützen.

Selbst bei komplizierten Anwendungen wie Halbbrücken- oder Vollbrücken-Mosfet-Treiberschaltungen sowie einigen zusätzlichen empfohlenen Schutzmaßnahmen.

Verwenden eines Widerstands zwischen Gate und Source

Obwohl wir diese Aufnahme in den vorherigen Bildern nicht angegeben haben, wird dies dringend empfohlen, um das Mosfet unter allen Umständen vor dem Ausblasen zu schützen.

Wie bietet ein Widerstand über Gate / Source einen garantierten Schutz?

Nun, normalerweise neigen Mosfets dazu, sich zu verriegeln, wenn eine Schaltspannung angelegt wird. Dieser Verriegelungseffekt kann manchmal schwer rückgängig zu machen sein, und wenn ein entgegengesetzter Schaltstrom angelegt wird, ist es bereits zu spät.

Der erwähnte Widerstand stellt sicher, dass sich der Mosfet schnell ausschalten kann, sobald das Schaltsignal entfernt wird, und eine mögliche Beschädigung verhindert.

Dieser Widerstandswert könnte irgendwo zwischen 1 K und 10 K liegen, niedrigere Werte würden jedoch bessere und effektivere Ergebnisse liefern.

Lawinenschutz

MOSFETs können beschädigt werden, wenn ihre Sperrschichttemperatur aufgrund von Überspannungsbedingungen an den internen Körperdioden plötzlich über die tolerierbare Grenze ansteigt. Dieses Auftreten wird in MOSFETs als Lawine bezeichnet.

Das Problem kann auftreten, wenn eine induktive Last an der Drain-Seite der Vorrichtung verwendet wird und während der MOSFET-Ausschaltperioden die Gegen-EMK des Induktors, die durch die MOSFET-Körperdiode läuft, zu hoch wird, was zu einem plötzlichen Anstieg der Sperrschichttemperaturen des MOSFET führt seine Aufteilung.

Das Problem kann gelöst werden, indem eine externe Hochleistungsdiode über Drain / Source-Anschlüsse der MOSFETs hinzugefügt wird, so dass der Rückstrom über die Dioden verteilt wird und übermäßige Wärmeerzeugung beseitigt wird.

Schutz von Mosfets in H-Brückenschaltungen vor Verbrennung

Bei Verwendung einer Vollbrückentreiberschaltung mit einem Treiber-IC wie dem IR2110 zusätzlich zu den oben genannten sollten die folgenden Aspekte berücksichtigt werden (ich werde dies in Kürze in einem meiner nächsten Artikel ausführlich erläutern).

• Fügen Sie einen Entkopplungskondensator in der Nähe der Pinbelegung der Treiber-IC-Versorgung hinzu. Dadurch werden die Schalttransienten über die internen Pinbelegungen der Versorgung reduziert, was wiederum eine unnatürliche Ausgangslogik für die Mosfet-Gates verhindert.
• Verwenden Sie für den Bootstrapping-Kondensator immer hochwertige Kondensatoren mit niedriger ESD und geringer Leckage und verwenden Sie möglicherweise einige davon parallel. Verwenden Sie den empfohlenen Wert im Datenblatt.
• Verbinden Sie die vier Mosfet-Verbindungen immer so nah wie möglich beieinander. Wie oben erläutert, verringert dies die Streuinduktivität über die Mosfets.
• UND, schließen Sie einen Kondensator mit relativ großem Wert über das High-Side-Plus (VDD) und die Low-Side-Masse (VSS) an. Dadurch wird effektiv die gesamte Streuinduktivität geerdet, die sich möglicherweise um die Verbindungen verbirgt.
• Verbinden Sie das VSS, die Mosfet-Low-Side-Masse und die Logikeingangserde miteinander und enden Sie zu einer einzigen gemeinsamen dicken Masse mit dem Versorgungsanschluss.
• Last but not least waschen Sie die Platine gründlich mit Aceton oder einem ähnlichen Flussmittel, um alle möglichen Spuren des Lötflussmittels zu entfernen und verborgenen Verbindungen und Kurzschlüssen auszuweichen.

Mosfets vor Überhitzung schützen

Lichtdimmer leiden häufig unter MOSFET-Fehlern. Die meisten Dimmer, die in industriellen Niedertemperatur-Wechselstromanwendungen verwendet werden, sind geschlossen und häufig in die Wand eingebettet. Dies kann zu Wärmeableitungsproblemen führen und zu einem Wärmestau führen, der zu einem thermischen Ereignis führt. Normalerweise fällt der für die Lichtdimmerschaltungen verwendete MOSFET im Widerstandsmodus aus.

Ein reflowfähiger Wärmeschutz oder RTP von TE Connectivity bietet eine Antwort auf MOSFET-Fehler in Niedertemperatur-Wechselstromanwendungen.

Dieses Gerät wirkt bei den normalen Betriebstemperaturen des MOSFET wie ein niederwertiger Widerstand. Es ist fast direkt am MOSFET montiert und kann daher die Temperatur präzise erfassen. Wenn der MOSFET aus irgendeinem Grund in einen Hochtemperaturzustand übergeht, wird dies vom RTP erfasst, und bei einer vordefinierten Temperatur verwandelt sich der RTP in einen Hochwertwiderstand.

Dadurch wird die Stromversorgung des MOSFET effektiv unterbrochen und vor Zerstörung geschützt. Somit opfert sich ein günstigerer Widerstand, um einen teureren MOSFET zu sparen. Eine ähnliche Analogie könnte die Verwendung einer Sicherung (Material mit geringem Wert) zum Schutz komplexerer Schaltungen (z. B. eines Fernsehers) sein.

Einer der interessantesten Aspekte des RTP von TE Connectivity ist seine Fähigkeit, enormen Temperaturen standzuhalten - bis zu 260 ° C. Dies ist überraschend, da die Widerstandsänderung (zum Schutz des MOSFET) normalerweise bei etwa 140 ° C auftritt.

Diese wundersame Leistung wird durch das innovative Design von TE Connectivity erreicht. Das RTP muss aktiviert werden, bevor es den MOSFET schützt. Die elektronische Aktivierung des RTP erfolgt nach Abschluss des Fließlötens (Anbringens). Jedes RTP muss einzeln scharfgeschaltet werden, indem ein bestimmter Strom für eine bestimmte Zeit durch den Scharfschaltstift des RTP gesendet wird.

Die Zeit-Strom-Eigenschaften sind Teil der Spezifikationen des RTP. Vor dem Einschalten folgt der Wert des Widerstands des RTP den angegebenen Eigenschaften. Sobald es aktiviert ist, wird der Scharfschaltstift jedoch elektrisch geöffnet, wodurch weitere Änderungen verhindert werden.

Es ist sehr wichtig, dass beim Entwurf und bei der Montage des MOSFET und des RTP auf der Leiterplatte das von TE Connectivity festgelegte Layout eingehalten wird. Da der RTP die Temperatur des MOSFET erfassen muss, folgt natürlich, dass die beiden in unmittelbarer Nähe bleiben sollten.

Der RTP-Widerstand lässt bis zu 80 A Strom bei 120 V AC durch den MOSFET zu, solange die Temperatur des MOSFET unter der offenen Temperatur des RTP bleibt, die zwischen 135 und 145 ° C liegen kann.