Cách bảo vệ MOSFET - Giải thích khái niệm cơ bản

Trong bài đăng này, chúng ta sẽ tìm hiểu toàn diện cách bảo vệ mosfet và ngăn cháy mosfet trong mạch điện tử bằng cách làm theo một số hướng dẫn cơ bản liên quan đến cách bố trí PCB đúng và xử lý thủ công cẩn thận đối với các thiết bị nhạy cảm này.

Giới thiệu

Ngay cả sau khi kết nối mọi thứ một cách chính xác, bạn vẫn thấy các mosfet trong mạch của bạn trở nên HOT và tắt trong vòng vài phút. Đây là một vấn đề khá phổ biến mà hầu hết những người mới cũng như những người có kinh nghiệm phải đối mặt trong khi thiết kế và tối ưu hóa các mạch dựa trên mosfet, đặc biệt là những mạch liên quan đến tần số cao.

Rõ ràng, việc kết nối tất cả các bộ phận một cách chính xác theo các chi tiết đã cho là điều chính cần được kiểm tra và xác nhận đầu tiên trước khi giả định các vấn đề khác, bởi vì trừ khi những điều cơ bản được đặt hoàn toàn đúng, việc truy tìm các lỗi ẩn khác trong mạch của bạn sẽ là vô nghĩa .

Ứng dụng bảo vệ Mosfet cơ bản trở nên quan trọng đặc biệt trong các mạch liên quan đến tần số cao theo thứ tự nhiều kHz. Điều này là do các ứng dụng tần số cao yêu cầu BẬT và TẮT thiết bị nhanh chóng (trong vòng ns), do đó đòi hỏi thực hiện hiệu quả tất cả các tiêu chí liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp với chuyển đổi liên quan.

Vậy đâu là những trở ngại chính khiến việc chuyển đổi mosfet không đúng hoặc không hiệu quả, hãy cùng tìm hiểu toàn diện cách bảo vệ mosfet với những điểm sau.

Thoát khỏi Stray Inductance:

Lỗi phổ biến nhất và chính trong hàng đợi là điện cảm đi lạc có thể ẩn trong các rãnh mạch. Khi tần số chuyển mạch và dòng điện cao, ngay cả một sự gia tăng không cần thiết nhỏ nhất trong đường kết nối là đường dẫn PCB có thể dẫn đến điện cảm liên kết với nhau, do đó có thể ảnh hưởng mạnh đến hoạt động của mosfet do dẫn điện, quá độ và đột biến không hiệu quả.

Để loại bỏ vấn đề này, chúng tôi đặc biệt khuyên bạn nên giữ các rãnh rộng hơn và giữ các thiết bị ĐƯỢC ĐÓNG NHƯ CÓ THỂ với nhau và với IC trình điều khiển đang được sử dụng để điều khiển các mosfet tương ứng.

Đó là lý do tại sao SMD được ưa chuộng hơn và là cách tốt nhất để loại bỏ cảm ứng chéo trên các thành phần, ngoài ra việc sử dụng PCB hai mặt giúp kiểm soát vấn đề do các kết nối ngắn 'in xuyên lỗ' trên các thành phần.

Ngay cả chiều cao đứng của các mosfet cũng phải được giảm xuống mức tối thiểu bằng cách chèn dây dẫn càng sâu càng tốt vào PCB, sử dụng SMD có lẽ là lựa chọn tốt nhất.

Chúng ta đều biết rằng mosfet bao gồm các tụ điện tích hợp yêu cầu sạc và xả để làm cho thiết bị dẫn điện.

Về cơ bản các tụ điện này được kết nối qua cổng / nguồn và cổng / cống. Mosfet 'không thích' việc sạc và xả điện dung bị trì hoãn kéo dài vì những điều này liên quan trực tiếp đến hiệu quả của nó.

Kết nối trực tiếp các mosfet với đầu ra nguồn logic dường như giải quyết được vấn đề này, bởi vì nguồn logic sẽ dễ dàng chuyển đổi và làm giảm điện dung từ Vcc về 0 một cách nhanh chóng, và ngược lại do không có bất kỳ chướng ngại vật nào trên đường đi của nó.

Tuy nhiên, việc thực hiện xem xét ở trên cũng có thể dẫn đến việc tạo ra quá độ và xung đột âm với biên độ nguy hiểm qua cống và cổng làm cho mosfet dễ bị xung đột tạo ra do chuyển đổi dòng điện cao đột ngột qua cống / nguồn.

Điều này có thể dễ dàng phá vỡ sự phân cách silicon giữa các phần của mosfet gây đoản mạch bên trong thiết bị và làm hỏng thiết bị vĩnh viễn.

Tầm quan trọng của điện trở cổng:

Để loại bỏ vấn đề trên, bạn nên sử dụng điện trở giá trị thấp mắc nối tiếp với đầu vào logic và cổng mosfet.

Với tần số tương đối thấp hơn (50 Hz đến 1kHz), giá trị có thể nằm trong khoảng từ 100 đến 470 ohms, trong khi đối với các tần số trên mức này, giá trị có thể nằm trong khoảng 100 ohms, đối với các tần số cao hơn nhiều (10kHz trở lên) thì giá trị này không được vượt quá 50 ohms .

Việc xem xét trên cho phép sạc theo cấp số nhân hoặc sạc dần các tụ điện bên trong làm giảm hoặc làm giảm nguy cơ xuất hiện các gai âm trên các chân thoát / cổng.

Sử dụng điốt ngược:

Trong phần trên, việc sạc điện dung cổng theo cấp số nhân làm giảm nguy cơ tăng đột biến nhưng điều đó cũng có nghĩa là việc phóng điện của điện dung liên quan sẽ bị trì hoãn do điện trở trong đường dẫn của đầu vào logic, mỗi khi nó chuyển sang mức logic 0. Gây ra hiện tượng phóng điện chậm có nghĩa là buộc mosfet hoạt động trong các điều kiện căng thẳng, làm cho nó ấm hơn một cách không cần thiết.

Bao gồm một diode đảo ngược song song với điện trở cổng luôn là một thực tiễn tốt và chỉ cần giải quyết sự phóng điện trễ của cổng bằng cách cung cấp một đường liên tục cho cổng phóng điện qua diode và vào đầu vào logic.

Các điểm đã đề cập ở trên liên quan đến việc thực hiện đúng các mosfet có thể dễ dàng được đưa vào bất kỳ mạch nào để bảo vệ các mosfet khỏi các trục trặc bí ẩn và cháy.

Ngay cả trong các ứng dụng phức tạp như mạch điều khiển mosfet nửa cầu hoặc toàn cầu cùng với một số biện pháp bảo vệ được khuyến nghị bổ sung.

Sử dụng điện trở giữa cổng và nguồn

Mặc dù chúng tôi đã không chỉ ra sự bao gồm này trong các hình ảnh trước đó, điều này được khuyến nghị để bảo vệ mosfet khỏi bị thổi trong mọi trường hợp.

Vì vậy, làm thế nào để một điện trở qua cổng / nguồn cung cấp một bảo vệ đảm bảo?

Chà, thông thường các MOSFET có xu hướng chốt lại bất cứ khi nào áp dụng điện áp chuyển mạch, hiệu ứng chốt này đôi khi có thể khó hoàn nguyên và vào thời điểm một dòng chuyển mạch ngược lại được áp dụng thì đã quá muộn.

Điện trở được đề cập đảm bảo rằng ngay sau khi tín hiệu chuyển mạch bị loại bỏ, mosfet có thể nhanh chóng TẮT và ngăn ngừa hư hỏng có thể xảy ra.

Giá trị điện trở này có thể nằm trong khoảng từ 1K đến 10K, tuy nhiên giá trị thấp hơn sẽ mang lại kết quả tốt hơn và hiệu quả hơn.

Bảo vệ tuyết lở

MOSFET có thể bị hỏng nếu nhiệt độ tiếp giáp của nó tăng đột ngột vượt quá giới hạn có thể chịu được do điều kiện quá điện áp trên các điốt bên trong thân của nó. Sự xuất hiện này được gọi là tuyết lở trong MOSFETs.

Sự cố có thể phát sinh khi tải cảm ứng được sử dụng ở phía cống của thiết bị và trong thời gian TẮT công tắc MOSFET, EMF ngược của cuộn cảm đi qua diode thân MOSFET trở nên quá cao, gây ra sự gia tăng đột ngột nhiệt độ đường giao nhau của MOSFET, và sự cố của nó.

Vấn đề có thể được giải quyết bằng cách thêm một điốt công suất cao bên ngoài vào các đầu nối nguồn / đầu cuối của MOSFET, để dòng điện ngược được chia sẻ qua các điốt và loại bỏ sự sinh nhiệt dư thừa.

Bảo vệ Mosfet trong mạch cầu H khỏi bị cháy

Trong khi sử dụng mạch điều khiển cầu đầy đủ liên quan đến IC điều khiển chẳng hạn như IR2110, ngoài những điều trên, bạn nên lưu ý những khía cạnh sau (Tôi sẽ thảo luận chi tiết về vấn đề này trong một trong những bài viết sắp tới của tôi)

• Thêm một tụ điện tách gần với sơ đồ chân cấp nguồn của IC trình điều khiển, điều này sẽ làm giảm quá độ chuyển đổi qua sơ đồ chân nguồn cung cấp bên trong, do đó sẽ ngăn chặn logic đầu ra không tự nhiên đến các cổng mosfet.
• Luôn sử dụng ESD thấp chất lượng cao, loại tụ điện ít rò rỉ cho tụ điện khởi động và có thể sử dụng song song một vài trong số chúng. Sử dụng trong giá trị khuyến nghị được đưa ra trong biểu dữ liệu.
• Luôn kết nối bốn liên kết mosfet càng gần nhau càng tốt. Như đã giải thích ở trên, điều này sẽ làm giảm điện cảm lạc trên các mosfet.
• VÀ, kết nối một tụ điện có giá trị tương đối lớn qua cực dương phía cao (VDD) và mặt đất phía thấp (VSS), điều này sẽ nối đất hiệu quả tất cả các điện cảm lạc có thể ẩn xung quanh các kết nối.
• Kết hợp VSS, nối đất phía thấp mosfet và đất đầu vào logic tất cả lại với nhau, và kết thúc thành một mặt đất dày chung duy nhất đến đầu cuối nguồn cung cấp.
• Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng nhất là rửa bo mạch kỹ lưỡng bằng axeton hoặc chất chống chảy tương tự để loại bỏ tất cả các dấu vết có thể có của chất trợ dung hàn để tránh các mối nối ẩn và quần ngắn.

Bảo vệ Mosfet khỏi quá nóng

Bộ điều chỉnh độ sáng đèn thường bị lỗi MOSFET. Hầu hết các bộ điều chỉnh độ sáng được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp xoay chiều nhiệt độ thấp được bao bọc và thường được gắn vào tường. Điều này có thể gây ra các vấn đề về tản nhiệt và có thể dẫn đến tích tụ nhiệt - dẫn đến hiện tượng nhiệt. Thông thường, MOSFET được sử dụng cho các mạch điều chỉnh độ sáng chiếu sáng bị lỗi ở 'chế độ điện trở'.

Bảo vệ nhiệt có khả năng tái tạo hoặc RTP từ Kết nối TE cung cấp câu trả lời cho lỗi MOSFET trong các ứng dụng AC nhiệt độ thấp.

Thiết bị này hoạt động giống như một điện trở có giá trị thấp ở nhiệt độ hoạt động bình thường của MOSFET. Nó được gắn gần như trực tiếp trên MOSFET, và do đó có thể cảm nhận nhiệt độ một cách chính xác. Nếu vì bất kỳ lý do gì, MOSFET chuyển sang điều kiện nhiệt độ cao, điều này được cảm nhận bởi RTP và ở nhiệt độ xác định trước, RTP sẽ thay đổi thành một điện trở có giá trị cao.

Điều này có hiệu quả cắt nguồn cho MOSFET, giúp nó khỏi bị phá hủy. Do đó, một điện trở có giá thấp hơn hy sinh chính nó để tiết kiệm một MOSFET đắt tiền hơn. Một sự tương tự tương tự có thể là việc sử dụng cầu chì (vật liệu có giá trị thấp) để bảo vệ mạch điện phức tạp hơn (ví dụ: tivi).

Một trong những khía cạnh thú vị nhất của RTP từ TE Connectivity là khả năng chịu được nhiệt độ cực lớn - lên đến 260ºC. Điều này thật đáng ngạc nhiên vì sự thay đổi điện trở (để bảo vệ MOSFET) thường xảy ra ở khoảng 140ºC.

Kỳ tích thần kỳ này được thực hiện thông qua thiết kế sáng tạo của TE Connectivity. RTP phải được kích hoạt trước khi nó bắt đầu bảo vệ MOSFET. Việc kích hoạt điện tử RTP xảy ra sau khi quá trình hàn dòng chảy (phần đính kèm) hoàn thành. Mỗi RTP phải được trang bị riêng lẻ bằng cách gửi một dòng điện xác định qua chân cắm của RTP trong một thời gian nhất định.

Các đặc tính dòng thời gian là một phần của các thông số kỹ thuật của RTP. Trước khi nó được trang bị, giá trị của điện trở của RTP sẽ tuân theo các đặc tính được chỉ định. Tuy nhiên, một khi nó được trang bị, chốt vũ khí sẽ trở nên mở bằng điện - ngăn cản những thay đổi tiếp theo.

Điều rất quan trọng là phải tuân theo cách bố trí được chỉ định bởi TE Connectivity khi thiết kế và gắn MOSFET và RTP trên PCB. Vì RTP phải cảm nhận nhiệt độ của MOSFET, nên theo lẽ tự nhiên, cả hai phải ở gần nhau.

Điện trở RTP sẽ cho phép dòng điện lên đến 80A ở 120V AC qua MOSFET miễn là nhiệt độ của MOSFET vẫn thấp hơn Nhiệt độ mở của RTP, có thể nằm trong khoảng 135-145ºC.