Bagaimana Melindungi MOSFET - Penjelasan Dasar

Dalam posting ini kita secara komprehensif belajar bagaimana melindungi mosfet dan mencegah pembakaran mosfet di sirkuit elektronik dengan mengikuti beberapa pedoman dasar terkait tata letak PCB yang benar, dan penanganan manual yang cermat dari perangkat sensitif ini.

pengantar

Bahkan setelah menghubungkan semuanya dengan benar, Anda menemukan mosfet di sirkuit Anda menjadi PANAS dan padam dalam beberapa menit. Ini adalah masalah umum yang dihadapi oleh sebagian besar penghobi baru dan berpengalaman saat merancang dan mengoptimalkan sirkuit berbasis MOSFET terutama yang melibatkan frekuensi tinggi.

Jelas, menghubungkan semua bagian dengan benar sesuai detail yang diberikan adalah hal utama yang perlu diperiksa dan dikonfirmasi terlebih dahulu sebelum mengasumsikan masalah lain, karena kecuali hal-hal mendasar benar-benar benar, tidak ada artinya melacak bug tersembunyi lainnya di sirkuit Anda .

Aplikasi perlindungan Mosfet dasar menjadi penting khususnya di sirkuit yang melibatkan frekuensi tinggi di urutan banyak kHz. Hal ini karena aplikasi frekuensi tinggi memerlukan pengaktifan dan penonaktifan cepat (dalam ns) perangkat yang pada gilirannya menuntut implementasi yang efisien dari semua kriteria yang terkait secara langsung atau tidak langsung dengan pengalihan terkait.

Jadi apa saja kendala utama yang menyebabkan peralihan MOSFET yang tidak tepat atau tidak efisien, mari pelajari secara komprehensif bagaimana cara melindungi MOSFET dengan poin-poin berikut.

Singkirkan Induktansi Nyasar:

Bug paling umum dan utama dalam antrian adalah induktansi nyasar yang mungkin tersembunyi di dalam trek sirkuit. Ketika frekuensi dan arus switching tinggi, bahkan sedikit peningkatan yang tidak perlu dalam jalur penghubung yaitu jalur PCB dapat mengakibatkan induktansi yang saling terkait yang pada gilirannya dapat mempengaruhi perilaku mosfet secara drastis karena konduksi, transien, dan lonjakan yang tidak efisien.

Untuk mengatasi masalah ini, sangat disarankan untuk menjaga trek lebih lebar dan untuk menjaga perangkat DEKAT SEBAGAIMANA MUNGKIN satu sama lain dan dengan IC driver yang digunakan untuk menggerakkan MOSFET masing-masing.

Itulah mengapa SMD lebih disukai dan merupakan cara terbaik untuk menghilangkan induktansi silang di seluruh komponen, juga penggunaan PCB dua sisi membantu mengendalikan masalah karena koneksi 'tercetak melalui lubang' yang pendek di seluruh komponen.

Bahkan ketinggian berdiri mosfet harus diminimalkan dengan memasukkan timah sedalam mungkin ke dalam PCB, menggunakan SMD mungkin merupakan pilihan terbaik.

Kita semua tahu bahwa MOSFET menyertakan kapasitor built-in yang memerlukan pengisian dan pengosongan untuk membuat perangkat berfungsi.

Pada dasarnya kapasitor ini terhubung melintasi gate / source dan gate / drain. MOSFET 'tidak suka' pengisian dan pengosongan kapasitansi tertunda yang berkepanjangan karena ini terkait langsung dengan efisiensinya.

Menghubungkan MOSFET langsung ke output sumber logika mungkin tampaknya menyelesaikan masalah ini, karena sumber logika akan dengan mudah mengalihkan dan menenggelamkan kapasitansi dari Vcc ke nol dengan cepat, dan sebaliknya karena tidak adanya penghalang di jalurnya.

Namun menerapkan pertimbangan di atas juga dapat menyebabkan pembentukan transien dan lonjakan negatif dengan amplitudo berbahaya di saluran dan gerbang yang membuat MOSFET rentan terhadap lonjakan yang dihasilkan karena arus tinggi yang tiba-tiba berpindah ke saluran / sumber.

Ini dapat dengan mudah memutus pemisahan silikon antara bagian-bagian MOSFET yang menyebabkan korsleting di dalam perangkat, dan merusaknya secara permanen.

Pentingnya Resistensi Gerbang:

Untuk menghilangkan masalah di atas, disarankan untuk menggunakan resistor nilai rendah secara seri dengan input logika dan gerbang mosfet.

Dengan frekuensi yang relatif lebih rendah (50 Hz hingga 1kHz), nilainya dapat berkisar antara 100 dan 470 ohm, sedangkan untuk frekuensi di atas nilainya bisa dalam 100 ohm, untuk frekuensi yang jauh lebih tinggi (10kHz ke atas) tidak boleh melebihi 50 ohm .

Pertimbangan di atas memungkinkan pengisian eksponensial atau pengisian bertahap kapasitor internal mengurangi atau menumpulkan kemungkinan lonjakan negatif di pin drain / gate.

Menggunakan Dioda Terbalik:

Dalam pertimbangan di atas, pengisian eksponensial dari kapasitansi gerbang mengurangi kemungkinan lonjakan tetapi itu juga berarti bahwa pemakaian kapasitansi yang terlibat akan tertunda karena resistansi di jalur input logika, setiap kali beralih ke logika nol. Menyebabkan pemakaian tertunda akan berarti memaksa mosfet untuk bekerja dalam kondisi stres, membuatnya lebih hangat yang tidak perlu.

Menyertakan dioda terbalik yang sejajar dengan resistor gerbang selalu merupakan praktik yang baik, dan hanya menangani pelepasan gerbang yang tertunda dengan menyediakan jalur berkelanjutan untuk pelepasan gerbang melalui dioda dan masuk ke input logika.

Poin-poin yang disebutkan di atas mengenai implementasi MOSFET yang benar dapat dengan mudah dimasukkan ke dalam sirkuit apa pun untuk melindungi MOSFET dari kerusakan dan pembakaran misterius.

Bahkan dalam aplikasi yang rumit seperti sirkuit driver mosfet setengah jembatan atau jembatan penuh bersama dengan beberapa perlindungan tambahan yang direkomendasikan.

Menggunakan Resistor Antara Gerbang dan Sumber

Meskipun kami belum menunjukkan penyertaan ini pada gambar sebelumnya, hal ini sangat disarankan untuk melindungi mosfet dari tiupan dalam segala keadaan.

Jadi bagaimana resistor melintasi gerbang / sumber memberikan perlindungan yang terjamin?

Nah, biasanya MOSFET memiliki kecenderungan untuk mengunci setiap kali tegangan switching diterapkan, efek penguncian ini terkadang sulit untuk dikembalikan, dan pada saat arus switching yang berlawanan diterapkan sudah terlambat.

Resistor yang disebutkan memastikan bahwa segera setelah sinyal switching dilepas, mosfet dapat dengan cepat mati, dan mencegah kemungkinan kerusakan.

Nilai resistor ini bisa berkisar antara 1K dan 10K, namun nilai yang lebih rendah akan memberikan hasil yang lebih baik dan lebih efektif.

Perlindungan Longsor

MOSFET dapat rusak jika suhu sambungannya tiba-tiba meningkat melebihi batas yang dapat ditoleransi karena kondisi tegangan berlebih di seluruh dioda tubuh internal. Kejadian ini disebut sebagai longsoran salju di MOSFET.

Masalah dapat muncul ketika beban induktif digunakan di sisi saluran pembuangan perangkat, dan selama periode sakelar MATI MOSFET, EMF balik induktor yang melewati dioda tubuh MOSFET menjadi terlalu tinggi, menyebabkan kenaikan tiba-tiba dalam suhu persimpangan MOSFET, dan kerusakannya.

Masalah ini dapat diatasi dengan menambahkan dioda daya tinggi eksternal melintasi terminal drain / sumber MOSFET, sehingga arus balik dibagi di seluruh dioda, dan pembangkitan panas berlebih dihilangkan.

Melindungi MOSFET di Sirkuit H-Bridge dari Pembakaran

Saat menggunakan rangkaian driver jembatan penuh yang melibatkan IC driver seperti IR2110 selain yang di atas, aspek-aspek berikut harus diingat (saya akan membahas ini secara rinci di salah satu artikel saya yang akan datang segera)

• Tambahkan kapasitor decoupling dekat dengan pinout supply IC driver, ini akan mengurangi transien switching di pinout supply internal yang pada gilirannya akan mencegah logika keluaran yang tidak wajar ke gerbang MOSFET.
• Selalu gunakan kapasitor ESD rendah berkualitas tinggi, jenis kebocoran rendah untuk kapasitor bootstrap dan mungkin gunakan beberapa di antaranya secara paralel. Gunakan dalam nilai yang direkomendasikan yang diberikan dalam lembar data.
• Selalu hubungkan empat mosfet interlink sedekat mungkin satu sama lain. Seperti dijelaskan di atas, ini akan mengurangi induktansi nyasar di seluruh MOSFET.
• DAN, sambungkan kapasitor bernilai relatif besar melintasi sisi positif tinggi (VDD), dan ground samping rendah (VSS), ini akan secara efektif membumikan semua induktansi nyasar yang mungkin bersembunyi di sekitar sambungan.
• Bergabunglah dengan VSS, ground sisi rendah mosfet, dan ground input logika bersama-sama, dan akhiri menjadi satu ground tebal bersama ke terminal suplai.
• Terakhir, cuci papan secara menyeluruh dengan aseton atau bahan anti-fluks serupa untuk menghilangkan semua kemungkinan jejak fluks penyolderan untuk menghindari inter koneksi dan celana pendek yang tersembunyi.

Melindungi Mosfets dari OverHeating

Dimmer pencahayaan sering mengalami kegagalan MOSFET. Kebanyakan dimmer yang digunakan dalam aplikasi industri AC suhu rendah tertutup dan sering kali tertanam di dinding. Hal ini dapat menyebabkan masalah pembuangan panas, dan dapat menyebabkan penumpukan panas - yang mengarah ke peristiwa termal. Biasanya, MOSFET yang digunakan untuk rangkaian peredup pencahayaan gagal dalam 'mode resistif'.

Perlindungan termal atau RTP yang dapat dialirkan ulang dari TE Connectivity memberikan jawaban untuk kegagalan MOSFET dalam aplikasi AC suhu rendah.

Perangkat ini bertindak seperti resistor nilai rendah pada suhu operasi normal MOSFET. Itu dipasang hampir langsung pada MOSFET, dan oleh karena itu dapat merasakan suhu dengan presisi. Jika karena alasan apa pun, MOSFET melayang ke kondisi suhu tinggi, ini dirasakan oleh RTP, dan pada suhu yang telah ditentukan, RTP berubah menjadi resistor bernilai tinggi.

Ini secara efektif memotong daya ke MOSFET, menyelamatkannya dari kehancuran. Jadi, resistor dengan harga lebih rendah mengorbankan dirinya untuk menghemat MOSFET yang lebih mahal. Analogi serupa dapat berupa penggunaan sekering (bahan bernilai rendah) dalam melindungi sirkuit yang lebih kompleks (misalnya televisi).

Salah satu aspek yang paling menarik dari RTP dari TE Connectivity adalah kemampuannya untuk menahan suhu yang sangat tinggi - hingga 260ºC. Ini mengejutkan karena perubahan resistansi (untuk melindungi MOSFET) biasanya terjadi pada sekitar 140ºC.

Prestasi ajaib ini dicapai melalui desain inovatif oleh TE Connectivity. RTP harus diaktifkan sebelum mulai melindungi MOSFET. Aktivasi elektronik RTP terjadi setelah penyolderan aliran (lampiran) selesai. Setiap RTP harus dipersenjatai secara individual dengan mengirimkan arus yang ditentukan melalui pin mempersenjatai RTP untuk waktu yang ditentukan.

Karakteristik arus waktu adalah bagian dari spesifikasi RTP. Sebelum dipersenjatai, nilai resistor RTP akan mengikuti karakteristik yang ditentukan. Namun, setelah dipersenjatai, pin persenjataan akan terbuka secara elektrik - mencegah perubahan lebih lanjut.

Sangat penting bahwa tata letak yang ditentukan oleh Konektivitas TE diikuti saat merancang dan memasang MOSFET dan RTP pada PCB. Karena RTP harus merasakan suhu MOSFET, secara alami keduanya harus tetap dekat.

Resistansi RTP akan memungkinkan arus hingga 80A pada 120V AC melalui MOSFET selama suhu MOSFET tetap di bawah Suhu Terbuka RTP, yang bisa antara 135-145ºC.