วิธีการป้องกัน MOSFET - อธิบายเบื้องต้น

ในโพสต์นี้เราได้เรียนรู้วิธีการป้องกัน mosfet และป้องกันการเผาไหม้ของมอสเฟ็ทในวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยทำตามคำแนะนำพื้นฐานบางประการที่เกี่ยวข้องกับรูปแบบ PCB ที่ถูกต้องและการจัดการอุปกรณ์ที่ละเอียดอ่อนเหล่านี้ด้วยตนเองอย่างระมัดระวัง

บทนำ

แม้หลังจากเชื่อมต่อทุกอย่างถูกต้องแล้วคุณจะพบว่ามอสเฟ็ทในวงจรของคุณร้อนขึ้นและระเบิดออกภายในไม่กี่นาที นี่เป็นปัญหาทั่วไปที่นักเล่นอดิเรกมือใหม่และมือสมัครเล่นส่วนใหญ่ต้องเผชิญในขณะที่ออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพวงจรที่ใช้ mosfet โดยเฉพาะอย่างยิ่งวงจรที่เกี่ยวข้องกับความถี่สูง

เห็นได้ชัดว่าการเชื่อมต่อชิ้นส่วนทั้งหมดอย่างถูกต้องตามรายละเอียดที่ระบุเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องได้รับการตรวจสอบและยืนยันก่อนที่จะเกิดปัญหาอื่น ๆ เนื่องจากหากไม่มีสิ่งพื้นฐานที่วางไว้อย่างถูกต้องมันจะไม่มีความหมายในการติดตามจุดบกพร่องอื่น ๆ ที่ซ่อนอยู่ในวงจรของคุณ .

แอปพลิเคชันการป้องกัน Mosfet ขั้นพื้นฐานมีความสำคัญโดยเฉพาะในวงจรเหล่านั้นซึ่งเกี่ยวข้องกับความถี่สูงตามลำดับหลาย kHz เนื่องจากแอปพลิเคชันความถี่สูงเรียกร้องให้เปิดและปิดอุปกรณ์อย่างรวดเร็ว (ภายใน ns) ซึ่งจะต้องใช้เกณฑ์ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องโดยตรงหรือโดยอ้อมกับการสลับที่เกี่ยวข้อง

ดังนั้นอะไรคืออุปสรรคสำคัญที่ทำให้เกิดการสลับ Mosfets อย่างไม่เหมาะสมหรือไม่มีประสิทธิภาพเรามาเรียนรู้วิธีป้องกัน mosfets อย่างละเอียดด้วยประเด็นต่อไปนี้

กำจัดการหลงทางอุปนัย:

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดและสำคัญที่สุดใน que คือการเหนี่ยวนำหลงทางที่อาจซ่อนอยู่ในรางวงจร เมื่อความถี่และกระแสสวิตชิ่งสูงแม้การเพิ่มขึ้นเล็กน้อยโดยไม่จำเป็นในเส้นทางการเชื่อมต่อที่เป็นแทร็ก PCB อาจส่งผลให้เกิดการเหนี่ยวนำที่เชื่อมโยงระหว่างกันซึ่งอาจส่งผลต่อพฤติกรรมของมอสเฟตอย่างมากเนื่องจากการนำไฟฟ้าที่ไม่มีประสิทธิภาพชั่วคราวและ spikes

เพื่อกำจัดปัญหานี้ขอแนะนำอย่างยิ่งให้วางแทร็กให้กว้างขึ้นและเก็บอุปกรณ์ให้ใกล้เคียงกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และ IC ของไดรเวอร์ซึ่งใช้ในการขับเคลื่อนมอสเฟ็ตตามลำดับ

นั่นเป็นเหตุผลที่ SMD เป็นที่ต้องการและเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการกำจัดการเหนี่ยวนำข้ามระหว่างส่วนประกอบนอกจากนี้การใช้ PCB สองด้านช่วยควบคุมปัญหาเนื่องจากการเชื่อมต่อแบบ 'พิมพ์ผ่านรู' สั้น ๆ ในส่วนประกอบต่างๆ

แม้แต่ความสูงที่ยืนของ mosfets ก็ต้องถูกนำมาใช้ให้น้อยที่สุดโดยการใส่ตะกั่วให้ลึกที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ใน PCB การใช้ SMD น่าจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด

เราทุกคนรู้ดีว่า mosfets มีตัวเก็บประจุในตัวซึ่งต้องมีการชาร์จและการคายประจุเพื่อให้อุปกรณ์ทำงานได้

โดยทั่วไปตัวเก็บประจุเหล่านี้จะเชื่อมต่อผ่านประตู / แหล่งที่มาและประตู / ท่อระบายน้ำ Mosfets 'ไม่ชอบ' การชาร์จและการคายประจุที่ล่าช้าเป็นเวลานานเนื่องจากสิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพของมัน

การเชื่อมต่อ mosfets โดยตรงกับเอาต์พุตของแหล่งตรรกะอาจดูเหมือนจะช่วยแก้ปัญหานี้ได้เนื่องจากแหล่งที่มาของลอจิกสามารถสลับและจมความจุจาก Vcc เป็นศูนย์ได้อย่างรวดเร็วและในทางกลับกันเนื่องจากไม่มีสิ่งกีดขวางใด ๆ ในเส้นทาง

อย่างไรก็ตามการดำเนินการตามข้อพิจารณาข้างต้นอาจนำไปสู่การสร้างชั่วคราวและการเพิ่มขึ้นเป็นลบที่มีแอมพลิจูดที่เป็นอันตรายข้ามท่อระบายน้ำและประตูทำให้มอสเฟ็ตเสี่ยงต่อการเกิดเดือยที่สร้างขึ้นเนื่องจากการสลับกระแสสูงอย่างกะทันหันระหว่างท่อระบายน้ำ / แหล่งที่มา

สิ่งนี้สามารถทำลายการแยกซิลิกอนระหว่างส่วนต่างๆของ mosfet ได้อย่างง่ายดายทำให้เกิดการลัดวงจรภายในอุปกรณ์และทำให้เกิดความเสียหายอย่างถาวร

ความสำคัญของการต้านทานประตู:

เพื่อกำจัดปัญหาข้างต้นขอแนะนำให้ใช้ตัวต้านทานค่าต่ำในอนุกรมกับอินพุตลอจิกและมอสเฟตเกต

ด้วยความถี่ที่ค่อนข้างต่ำ (50 Hz ถึง 1kHz) ค่าอาจอยู่ที่ใดก็ได้ระหว่าง 100 ถึง 470 โอห์มในขณะที่สำหรับความถี่ที่สูงกว่านี้ค่าอาจอยู่ภายใน 100 โอห์มสำหรับความถี่ที่สูงกว่ามาก (10kHz ขึ้นไป) ต้องไม่เกิน 50 โอห์ม .

การพิจารณาข้างต้นช่วยให้การชาร์จแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลหรือการชาร์จแบบค่อยเป็นค่อยไปของตัวเก็บประจุภายในช่วยลดหรือลดโอกาสที่จะเกิดเดือยเชิงลบข้ามพินท่อระบายน้ำ / ประตู

การใช้ไดโอดย้อนกลับ:

ในการพิจารณาข้างต้นการชาร์จแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลของความจุเกตจะช่วยลดโอกาสในการเพิ่มขึ้น แต่นั่นก็หมายความว่าการคายประจุของความจุที่เกี่ยวข้องจะล่าช้าเนื่องจากความต้านทานในเส้นทางของอินพุตลอจิกทุกครั้งที่เปลี่ยนเป็นศูนย์ลอจิก การทำให้การคายประจุล่าช้าจะหมายถึงการบังคับให้มอสเฟ็ตทำงานภายใต้สภาวะกดดันทำให้อุ่นขึ้นโดยไม่จำเป็น

การรวมไดโอดย้อนกลับขนานกับตัวต้านทานเกตเป็นแนวทางปฏิบัติที่ดีเสมอและเพียงแค่จัดการกับการคายประจุที่ล่าช้าของเกตโดยจัดเตรียมเส้นทางต่อเนื่องสำหรับการปล่อยเกตผ่านไดโอดและเข้าสู่อินพุตลอจิก

ประเด็นที่กล่าวถึงข้างต้นเกี่ยวกับการใช้งาน mosfets อย่างถูกต้องสามารถรวมไว้ในวงจรใด ๆ ได้อย่างง่ายดายเพื่อป้องกัน mosfets จากความผิดปกติและการเผาไหม้ที่ลึกลับ

แม้ในแอพพลิเคชั่นที่ซับซ้อนเช่นวงจรขับมอสเฟ็ทแบบครึ่งสะพานหรือแบบเต็มพร้อมกับการป้องกันที่แนะนำเพิ่มเติม

การใช้ตัวต้านทานระหว่าง Gate และ Source

แม้ว่าเราจะไม่ได้ระบุการรวมไว้ในภาพก่อนหน้านี้ แต่ขอแนะนำอย่างยิ่งเพื่อป้องกันมอสเฟ็ตจากการระเบิดในทุกสถานการณ์

แล้วตัวต้านทานข้ามเกต / ต้นทางให้การป้องกันที่รับประกันได้อย่างไร?

โดยปกติแล้ว mosfets มีแนวโน้มที่จะล็อคขึ้นเมื่อใดก็ตามที่มีการใช้แรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งเอฟเฟกต์การล็อคนี้บางครั้งอาจย้อนกลับได้ยากและเมื่อถึงเวลาที่ใช้กระแสไฟฟ้าสลับตรงข้ามมันก็สายเกินไปแล้ว

ตัวต้านทานดังกล่าวช่วยให้มั่นใจได้ว่าทันทีที่สัญญาณสวิตชิ่งถูกลบออกมอสเฟตจะสามารถปิดได้อย่างรวดเร็วและป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น

ค่าตัวต้านทานนี้อาจอยู่ระหว่าง 1K ถึง 10K อย่างไรก็ตามค่าที่ต่ำกว่าจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่า

การป้องกันหิมะถล่ม

MOSFET อาจได้รับความเสียหายหากอุณหภูมิของสายเชื่อมเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันเกินขีด จำกัด ที่สามารถยอมรับได้เนื่องจากสภาวะแรงดันไฟฟ้าเกินในไดโอดภายในร่างกาย เหตุการณ์นี้เรียกว่าหิมะถล่มใน MOSFET

ปัญหาอาจเกิดขึ้นเมื่อมีการใช้โหลดอุปนัยที่ด้านท่อระบายน้ำของอุปกรณ์และในระหว่างที่สวิตช์ MOSFET ปิดช่วงเวลาที่ EMF ย้อนกลับของตัวเหนี่ยวนำที่ผ่านไดโอดตัว MOSFET จะสูงเกินไปทำให้อุณหภูมิทางแยกของ MOSFET สูงขึ้นอย่างกะทันหันและ รายละเอียดของมัน

ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการเพิ่มไดโอดพลังงานสูงภายนอกข้ามขั้วท่อระบายน้ำ / แหล่งจ่ายของ MOSFET เพื่อให้กระแสไฟฟ้าย้อนกลับถูกแบ่งใช้ระหว่างไดโอดและการสร้างความร้อนส่วนเกินจะถูกกำจัด

การป้องกัน Mosfets ในวงจร H-Bridge จากการเผาไหม้

ในขณะที่ใช้วงจรขับบริดจ์แบบเต็มที่เกี่ยวข้องกับ IC ไดรเวอร์เช่น IR2110 นอกเหนือจากที่กล่าวมาข้างต้นควรเบื่อในแง่มุมต่อไปนี้ (ฉันจะพูดถึงรายละเอียดในบทความที่กำลังจะมีขึ้นในเร็ว ๆ นี้)

• เพิ่มตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนที่อยู่ใกล้กับพินของแหล่งจ่าย IC ของไดรเวอร์ซึ่งจะช่วยลดการเปลี่ยนช่วงเวลาข้ามพินของแหล่งจ่ายภายในซึ่งจะป้องกันตรรกะเอาต์พุตที่ผิดธรรมชาติไปยังประตูมอสเฟ็ต
• ควรใช้ ESD คุณภาพสูงต่ำชนิดของตัวเก็บประจุที่มีการรั่วไหลต่ำสำหรับตัวเก็บประจุแบบบูตและอาจใช้คู่ขนานกัน ใช้ภายในค่าที่แนะนำที่ระบุในแผ่นข้อมูล
• เชื่อมต่อลิงก์เชื่อมต่อระหว่างมอสเฟ็ททั้งสี่ให้ใกล้กันมากที่สุด ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นสิ่งนี้จะช่วยลดการเหนี่ยวนำที่หลงทางข้ามมอสเฟต
• และเชื่อมต่อตัวเก็บประจุที่มีค่าค่อนข้างใหญ่ผ่านด้านบวกด้านสูง (VDD) และพื้นด้านต่ำ (VSS) สิ่งนี้จะทำให้การเหนี่ยวนำหลงทางทั้งหมดที่อาจซ่อนอยู่รอบ ๆ การเชื่อมต่อได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• เข้าร่วม VSS กราวด์ด้านต่ำของ mosfet และกราวด์อินพุตลอจิกทั้งหมดเข้าด้วยกันและสิ้นสุดลงในกราวด์หนาทั่วไปเดียวกับเทอร์มินัลอุปทาน
• สุดท้าย แต่ไม่ท้ายสุดควรล้างบอร์ดให้สะอาดด้วยอะซิโตนหรือสารป้องกันฟลักซ์ที่คล้ายกันเพื่อกำจัดร่องรอยที่เป็นไปได้ทั้งหมดของฟลักซ์บัดกรีเพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อระหว่างกันและกางเกงขาสั้นที่ซ่อนอยู่

ป้องกัน Mosfets จากความร้อนสูงเกินไป

เครื่องหรี่แสงมักประสบกับความล้มเหลวของ MOSFET เครื่องหรี่ส่วนใหญ่ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรม AC อุณหภูมิต่ำจะถูกปิดล้อมและมักฝังอยู่ในผนัง ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาการกระจายความร้อนและส่งผลให้เกิดความร้อนสะสมซึ่งนำไปสู่เหตุการณ์ความร้อน โดยปกติแล้ว MOSFET ที่ใช้สำหรับวงจรหรี่แสงจะล้มเหลวใน 'โหมดต้านทาน'

การป้องกันความร้อนที่สามารถรีโฟลว์หรือ RTP จาก TE Connectivity ให้คำตอบสำหรับความล้มเหลวของ MOSFET ในแอปพลิเคชัน AC อุณหภูมิต่ำ

อุปกรณ์นี้ทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทานค่าต่ำที่อุณหภูมิการทำงานปกติของ MOSFET ติดตั้งอยู่บนมอสเฟตเกือบโดยตรงดังนั้นจึงสามารถตรวจจับอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ หากด้วยเหตุผลใดก็ตาม MOSFET จะลอยไปในสภาพที่มีอุณหภูมิสูงสิ่งนี้จะถูกตรวจจับโดย RTP และที่อุณหภูมิที่กำหนดไว้ล่วงหน้า RTP จะเปลี่ยนเป็นตัวต้านทานที่มีค่าสูง

วิธีนี้จะตัดไฟไปยัง MOSFET ได้อย่างมีประสิทธิภาพช่วยไม่ให้ถูกทำลาย ดังนั้นตัวต้านทานที่มีราคาต่ำกว่าจึงยอมเสียสละตัวเองเพื่อประหยัด MOSFET ที่แพงกว่า การเปรียบเทียบที่คล้ายกันอาจเป็นการใช้ฟิวส์ (วัสดุที่มีมูลค่าต่ำ) ในการป้องกันวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้น (เช่นโทรทัศน์)

หนึ่งในแง่มุมที่น่าสนใจที่สุดของ RTP จาก TE Connectivity คือความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูงถึง260ºC สิ่งนี้น่าแปลกใจเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความต้านทาน (เพื่อป้องกัน MOSFET) มักเกิดขึ้นที่ประมาณ140ºC

ความสำเร็จที่น่าอัศจรรย์นี้ทำได้ผ่านการออกแบบที่สร้างสรรค์โดย TE Connectivity ต้องเปิดใช้งาน RTP ก่อนที่จะเริ่มปกป้อง MOSFET การเปิดใช้งานอิเล็กทรอนิกส์ของ RTP เกิดขึ้นหลังจากการบัดกรีโฟลว์ (สิ่งที่แนบมา) เสร็จสิ้น RTP แต่ละตัวจะต้องติดอาวุธแยกกันโดยส่งกระแสที่ระบุผ่านพินติดอาวุธของ RTP ตามเวลาที่กำหนด

ลักษณะเวลาปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของข้อกำหนดของ RTP ก่อนที่จะมีการติดอาวุธค่าของตัวต้านทานของ RTP จะเป็นไปตามลักษณะที่ระบุ อย่างไรก็ตามเมื่อติดอาวุธแล้วหมุดติดอาวุธจะเปิดด้วยไฟฟ้าเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติม

เป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องปฏิบัติตามเค้าโครงที่ระบุโดย TE Connectivity เมื่อออกแบบและติดตั้ง MOSFET และ RTP บน PCB เนื่องจาก RTP ต้องรับรู้อุณหภูมิของ MOSFET จึงเป็นไปตามธรรมชาติที่ทั้งสองควรอยู่ใกล้กัน

ความต้านทาน RTP จะยอมให้กระแสไฟฟ้าสูงถึง 80A ที่ 120V AC ผ่าน MOSFET ตราบใดที่อุณหภูมิของ MOSFET ยังคงต่ำกว่าอุณหภูมิเปิดของ RTP ซึ่งอาจอยู่ระหว่าง135-145ºC