Como proteger MOSFETs - Explicação do básico

Neste artigo, aprendemos de forma abrangente como proteger mosfets e evitar a queima de mosfets em circuitos eletrônicos, seguindo algumas diretrizes básicas relacionadas ao layout de PCB correto e ao manuseio manual cuidadoso desses dispositivos sensíveis.

Introdução

Mesmo depois de conectar tudo corretamente, você descobre que os mosfets em seu circuito estão se tornando QUENTES e explodindo em minutos. Este é um problema comum enfrentado pela maioria dos amadores novos e experientes ao projetar e otimizar circuitos baseados em mosfet, especialmente aqueles que envolvem altas frequências.

Obviamente, conectar todas as partes corretamente de acordo com os detalhes fornecidos é a principal coisa que precisa ser verificada e confirmada antes de assumir outras questões, porque a menos que as coisas fundamentais sejam colocadas absolutamente certas, não faria sentido rastrear os outros bugs ocultos em seu circuito .

A aplicação de proteção Mosfet básica torna-se crítica especificamente nos circuitos que envolvem altas frequências na ordem de muitos kHz. Isso ocorre porque os aplicativos de alta frequência exigem LIGAR e DESLIGAR rapidamente (dentro de ns) os dispositivos, o que por sua vez exige a implementação eficiente de todos os critérios associados direta ou indiretamente à comutação em questão.

Então, quais são os principais obstáculos que causam a comutação inadequada ou ineficiente dos mosfets, vamos aprender de forma abrangente como proteger os mosfets com os seguintes pontos.

Livre-se da indutância perdida:

O bug mais comum e principal no que é a indutância perdida que pode estar escondida dentro das trilhas do circuito. Quando a frequência e a corrente de comutação são altas, mesmo um aumento desnecessário mais leve no caminho de conexão que é a trilha do PCB pode resultar em indutância interligada que por sua vez pode afetar o comportamento do mosfet drasticamente devido à condução ineficiente, transientes e picos.

Para se livrar deste problema, é altamente recomendável manter as trilhas mais largas e os dispositivos O MAIS PRÓXIMOS POSSÍVEIS uns dos outros e do IC do driver que está sendo usado para conduzir os respectivos mosfets.

É por isso que o SMD é preferido e é a melhor maneira de eliminar a indutância cruzada entre os componentes. Além disso, o uso de PCB de dupla face ajuda a controlar o problema devido às suas conexões curtas 'impressas através do orifício' entre os componentes.

Mesmo a altura de pé dos mosfets deve ser reduzida ao mínimo inserindo o cabo o mais profundamente possível no PCB, usando SMD é provavelmente a melhor opção.

Todos nós sabemos que mosfets incluem capacitores embutidos que requerem carga e descarga para fazer o dispositivo funcionar.

Basicamente, esses capacitores são conectados através da porta / fonte e porta / dreno. Mosfets 'não gostam' de atrasos prolongados de carga e descarga de sua capacitância, uma vez que estão diretamente relacionados à sua eficiência.

Conectar os mosfets diretamente a uma saída de fonte lógica pode parecer resolver este problema, porque a fonte lógica facilmente mudaria e afundaria a capacitância de Vcc para zero rapidamente, e vice-versa devido à ausência de qualquer obstáculo em seu caminho.

No entanto, a implementação da consideração acima também pode levar à geração de transientes e picos negativos com amplitudes perigosas ao longo do dreno e portão, tornando o mosfet vulnerável aos picos gerados devido à mudança repentina de alta corrente no dreno / fonte.

Isso poderia facilmente quebrar a separação de silício entre as seções do mosfet, causando um curto-circuito dentro do dispositivo e danificando-o permanentemente.

Importância da resistência do portão:

Para se livrar do problema acima, é recomendado usar um resistor de baixo valor em série com a entrada lógica e a porta mosfet.

Com frequências relativamente mais baixas (50 Hz a 1 kHz), o valor pode estar em qualquer lugar entre 100 e 470 ohms, enquanto para frequências acima disso o valor pode estar dentro de 100 ohms, para frequências muito mais altas (10 kHz e acima) isso não deve exceder 50 ohms .

A consideração acima permite o carregamento exponencial ou o carregamento gradual dos capacitores internos, reduzindo ou atenuando as chances de picos negativos nos pinos do dreno / porta.

Usando diodos reversos:

Na consideração acima, uma carga exponencial da capacitância da porta reduz as chances de picos, mas isso também significa que a descarga da capacitância envolvida seria atrasada devido à resistência no caminho da entrada lógica, toda vez que ela muda para o zero lógico. Causar uma descarga atrasada significaria forçar o mosfet a conduzir sob condições estressantes, tornando-o desnecessariamente mais quente.

Incluir um diodo reverso paralelo ao resistor da porta é sempre uma boa prática, e simplesmente trata da descarga retardada da porta fornecendo um caminho contínuo para a descarga da porta através do diodo e na entrada lógica.

Os pontos mencionados acima com relação à implementação correta de mosfets podem ser facilmente incluídos em qualquer circuito, a fim de proteger os mosfets de malfuncionamentos misteriosos e queima.

Mesmo em aplicações complicadas, como circuitos de driver mosfet de meia ponte ou ponte completa, juntamente com algumas proteções adicionais recomendadas.

Usando um resistor entre o portão e a fonte

Embora não tenhamos indicado essa inclusão nas imagens anteriores, isso é altamente recomendado para proteger o mosfet de explodir em todas as circunstâncias.

Então, como um resistor na porta / fonte fornece uma proteção garantida?

Bem, normalmente os mosfets têm a tendência de travar sempre que uma tensão de chaveamento é aplicada, esse efeito de travamento pode às vezes ser difícil de reverter e, no momento em que uma corrente de chaveamento oposta é aplicada, já é tarde demais.

O resistor mencionado garante que, assim que o sinal de comutação for removido, o mosfet será capaz de desligar rapidamente e evitar um possível dano.

O valor do resistor pode estar em qualquer lugar entre 1K e 10K, no entanto, valores mais baixos forneceriam resultados melhores e mais eficazes.

Proteção de avalanche

Os MOSFETs podem ser danificados se sua temperatura de junção aumentar repentinamente além do limite tolerável devido a condições de sobretensão nos diodos internos do corpo. Esta ocorrência é denominada avalanche em MOSFETs.

O problema pode surgir quando uma carga indutiva é usada no lado do dreno do dispositivo, e durante os períodos de desligamento do MOSFET, o EMF reverso do indutor passando pelo diodo do corpo do MOSFET torna-se muito alto, causando um aumento repentino nas temperaturas de junção do MOSFET, e seu colapso.

O problema pode ser resolvido adicionando um diodo externo de alta potência nos terminais de dreno / fonte dos MOSFETs, de modo que a corrente reversa seja compartilhada entre os diodos e a geração de calor em excesso seja eliminada.

Protegendo Mosfets em Circuitos H-Bridge contra Queima

Ao usar um circuito de driver de ponte completa envolvendo um IC de driver, como o IR2110, além do acima, os seguintes aspectos devem ser entediados (discutirei isso em detalhes em um dos meus próximos artigos em breve)

• Adicione um capacitor de desacoplamento próximo às pinagens de alimentação do IC do driver, isso reduzirá os transientes de chaveamento nas pinagens de alimentação internas que, por sua vez, evitarão lógica de saída anormal para as portas mosfet.
• Sempre use capacitores de baixa ESD e de baixa vazamento de alta qualidade para o capacitor de bootstrapping e, possivelmente, use alguns deles em paralelo. Use dentro do valor recomendado fornecido na folha de dados.
• Sempre conecte os quatro interlinks mosfet o mais próximo possível um do outro. Como explicado acima, isso reduzirá a indutância perdida entre os mosfets.
• E, conecte um capacitor de valor relativamente grande através do lado positivo alto (VDD) e o terra do lado baixo (VSS), isso irá aterrar efetivamente todas as indutâncias parasitas que podem estar escondidas em torno das conexões.
• Junte o VSS, o terra do lado inferior mosfet e o terra de entrada lógica e termine em um único aterramento espesso comum para o terminal de alimentação.
• Por último, mas não menos importante, lave bem a placa com acetona ou um agente anti-fluxo semelhante para remover todos os possíveis vestígios do fluxo de soldagem para evitar interconexões e curtos ocultos.

Protegendo Mosfets contra superaquecimento

Os dimmers de iluminação costumam sofrer de falhas de MOSFET. A maioria dos dimmers usados ​​em aplicações industriais de CA de baixa temperatura são fechados e frequentemente embutidos na parede. Isso pode causar problemas de dissipação de calor e pode resultar em acúmulo de calor - levando a um evento térmico. Normalmente, o MOSFET usado para os circuitos do dimmer de iluminação falha no 'modo resistivo'.

Uma proteção térmica refluível ou RTP da TE Connectivity fornece uma resposta para a falha do MOSFET em aplicações CA de baixa temperatura.

Este dispositivo atua como um resistor de baixo valor nas temperaturas normais de operação do MOSFET. Ele é montado quase diretamente no MOSFET e, portanto, é capaz de detectar a temperatura com precisão. Se, por qualquer motivo, o MOSFET muda para uma condição de alta temperatura, isso é detectado pelo RTP e, em uma temperatura predefinida, o RTP muda para um resistor de alto valor.

Isso efetivamente corta a energia do MOSFET, salvando-o da destruição. Portanto, um resistor de preço mais baixo se sacrifica para salvar um MOSFET mais caro. Uma analogia semelhante poderia ser o uso de um fusível (material de baixo valor) na proteção de circuitos mais complexos (por exemplo, uma televisão).

Um dos aspectos mais interessantes do RTP da TE Connectivity é a sua capacidade de suportar enormes temperaturas - até 260ºC. Isso é surpreendente, uma vez que a mudança de resistência (para proteger o MOSFET) geralmente ocorre em torno de 140ºC.

Este feito milagroso é realizado por meio de um design inovador da TE Connectivity. O RTP deve ser ativado antes de começar a proteger o MOSFET. A ativação eletrônica do RTP ocorre após a soldagem por fluxo (anexo) ser concluída. Cada RTP deve ser armado individualmente, enviando uma corrente especificada através do pino de armação do RTP por um tempo especificado.

As características tempo-corrente fazem parte das especificações do RTP. Antes de ser armado, o valor do resistor do RTP seguirá as características especificadas. No entanto, uma vez armado, o pino de armação ficará eletricamente aberto - evitando novas alterações.

É muito importante que o layout especificado pela TE Connectivity seja seguido ao projetar e montar o MOSFET e o RTP no PCB. Uma vez que o RTP deve detectar a temperatura do MOSFET, segue-se naturalmente que os dois devem permanecer próximos.

A resistência RTP permitirá até 80A de corrente a 120V AC através do MOSFET, desde que a temperatura do MOSFET permaneça abaixo da Temperatura Aberta do RTP, que pode estar entre 135-145ºC.