Como proteger MOSFETs: explicações básicas

Neste post, aprendemos minuciosamente como proteger mosfets e impedir que eles queimem em circuitos eletrônicos, seguindo algumas diretrizes básicas relacionadas ao design correto de PCBs e ao manuseio manual cuidadoso desses dispositivos sensíveis.

Introdução

Mesmo depois de conectar tudo corretamente, você descobre que os mosfets em seu circuito ficam QUENTES e desligam em questão de minutos. Esse é um problema bastante comum que a maioria dos amadores novos e experientes enfrenta ao projetar e otimizar circuitos baseados em mosfet, especialmente aqueles que envolvem altas frequências.

Obviamente, conectar todas as peças corretamente, de acordo com os detalhes fornecidos, é a principal coisa que deve ser verificada e confirmada antes de se resolver outros problemas, porque, a menos que as coisas fundamentais fiquem absolutamente certas, não faria sentido rastrear os outros erros ocultos no seu o circuito.

A aplicação básica da proteção Mosfet se torna crítica especificamente nos circuitos que envolvem altas frequências da ordem de muitos kHz. Isso ocorre porque os aplicativos de alta frequência exigem uma inicialização rápida (dentro de ns) dos dispositivos, o que, por sua vez, exige a implementação eficiente de todos os critérios associados direta ou indiretamente à comutação correspondente.

Então, quais são os principais obstáculos que causam alterações incorretas ou ineficientes dos mosfets? Vamos aprender completamente como protegê-los com os seguintes pontos.

Livre-se da indutância perdida:


O erro principal e mais comum na fila é a indutância ausente que pode estar oculta nas faixas do circuito. Quando a frequência e a corrente de comutação são altas, mesmo um ligeiro aumento desnecessário no caminho da conexão que é a pista da placa de circuito impresso pode causar uma indutância interconectada que, por sua vez, pode afetar drasticamente o comportamento do mosfet devido à condução ineficiente. transitórios e espigões.

Para se livrar desse problema, é altamente recomendável manter as faixas o mais largas possível e manter os dispositivos o mais próximo possível uns dos outros e do IC do controlador usado para acionar os respectivos mosfets. É por isso que o SMD é preferido e é a melhor maneira de eliminar a indutância cruzada entre os componentes, também o uso de PCB de dupla face ajuda a controlar o problema devido às suas conexões curtas “impressas através do furo” através dos componentes . Mesmo a altura do pé dos mosfets deve ser minimizada inserindo o cabo o mais fundo possível na placa de circuito impresso, usar SMD é provavelmente a melhor opção.

proteger mosfet, eliminando indutância perdida

Todos sabemos que os mosfets incluem capacitores embutidos que exigem carga e descarga para o dispositivo funcionar.

Basicamente, esses capacitores são conectados através do portão / fonte e do portão / dreno. Mosfets “não gostam” de atrasos prolongados no carregamento e descarregamento de sua capacitância, pois estão diretamente relacionados à sua eficiência.

Conectar mosfets diretamente a uma saída de fonte lógica pode resolver esse problema, porque a fonte lógica mudaria rapidamente e diminuiria a capacitância de Vcc para zero e vice-versa devido à ausência de obstáculos no caminho.

No entanto, a implementação da consideração acima também pode levar à geração de transitórios e picos negativos com amplitudes perigosas através do dreno e do portão, tornando o mosfet vulnerável aos picos gerados devido a mudanças repentinas de corrente alta através do dreno / fonte.

Isso poderia facilmente quebrar a lacuna de silício entre as seções do mosfet, causando um curto-circuito no interior do dispositivo e danificando-o permanentemente.


resistência da porta para evitar picos negativos

Importância da resistência da porta:

Para se livrar do problema acima, é recomendável usar um resistor de baixo valor em série com a entrada lógica e a porta mosfet. Em frequências relativamente mais baixas (50 Hz a 1 kHz), o valor pode estar entre 100 e 470 ohms, enquanto que para frequências acima desse valor, pode estar dentro de 100 ohms, para frequências muito mais altas (10 kHz e mais). não deve exceder 50 ohms.

A consideração anterior permite o carregamento exponencial ou gradual de capacitores internos, reduzindo ou reduzindo as chances de picos negativos através dos pinos de drenagem / porta.

Adicionar diodos reversos para proteção mosfet

Usando diodos reversos:

Na consideração acima, um carregamento 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 zero lógico. Causar uma descarga atrasada significaria forçar o mosfet a dirigir sob condições estressantes, tornando-o desnecessariamente mais quente.

É sempre uma boa prática incluir um diodo reverso paralelo à resistência do gate e simplesmente aborda a descarga atrasada do gate, fornecendo um caminho contínuo para a descarga do gate através do diodo e na entrada lógica.

Os pontos mencionados acima sobre a implementação correta dos mosfets podem ser facilmente incluídos em qualquer circuito para proteger os mosfets contra falhas e queimaduras misteriosas. Mesmo em aplicações complicadas, como circuitos de driver de ponte cheia ou meia ponte, juntamente com algumas proteções adicionais recomendadas.

adicionando resistor de fonte de porta para proteção mosfet

Usando um resistor entre o portão e a fonte

Embora não tenhamos indicado essa inclusão nas imagens acima, isso é altamente recomendado para evitar que o mosfet sopre em qualquer circunstância.

Então, como uma resistência através do portão / fonte fornece proteção garantida?

Bem, normalmente os mosfets tendem a travar toda vez que uma tensão de comutação é aplicada, esse efeito de travamento às vezes pode ser difícil de reverter e, quando uma corrente de comutação oposta é aplicada, já é tarde demais.

O resistor mencionado garante que, assim que o sinal de comutação for removido, o mosfet possa desligar-se rapidamente e evitar possíveis danos.


Esse valor de resistência pode estar entre 1K e 10K, no entanto, valores mais baixos forneceriam resultados melhores e mais eficazes.

Proteção de mosfets em circuitos de ponte H contra queimaduras

Ao usar um circuito completo de driver de ponte envolvendo um IC de driver como o IR2110, além dos itens acima, lembre-se dos seguintes aspectos (discutiremos isso em detalhes em um dos meus próximos artigos em breve)

  • Adicione um capacitor de desacoplamento próximo aos pinos de alimentação do controlador IC, isso reduzirá os transientes de comutação através dos pinos de alimentação internos, o que, por sua vez, impedirá uma lógica de saída não natural para os portões do mosfet.
  • Sempre use capacitores de alta qualidade, baixo ESD e baixo vazamento para o capacitor de partida e, possivelmente, use um par deles em paralelo. Use dentro do valor recomendado fornecido na folha de dados.
  • Sempre conecte todos os quatro links mosfet o mais próximo possível um do outro. Como explicado acima, isso reduzirá a indutância parasitária através dos mosfets.
  • E, conecte um capacitor de valor relativamente grande no lado positivo alto (VDD) e no lado lateral baixo (VSS), isso conectará efetivamente toda a indutância perdida que pode estar oculta nas conexões.
  • Conecte o VSS, o aterramento lateral baixo do mosfet e o aterramento de entrada lógica todos juntos e termine em um único aterramento grosso comum ao terminal de alimentação.
  • Por último, mas não menos importante, lave completamente a placa com acetona ou um agente anti-fluxo semelhante para remover todos os traços possíveis do fluxo de solda para evitar conexões e curtos ocultos.

Como proteger o mosfet em circuitos de ponte H ou circuito de ponte completo

Proteger mosfets contra superaquecimento

Os dimmers de iluminação geralmente apresentam falhas no MOSFET. A maioria dos dimmers usados ​​em aplicações CA industriais de baixa temperatura são fechados e geralmente embutidos na parede. Isso pode causar problemas de dissipação de calor e acúmulo de calor, levando a um evento térmico. Normalmente, o MOSFET usado para iluminar circuitos de escurecimento falha no ‘modo resistivo'.

Um RTP da TE Connectivity ou proteção térmica por refluxo fornece uma resposta à 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. É montado quase diretamente no MOSFET e, portanto, pode detectar com precisão a temperatura. Se, por algum motivo, o MOSFET é deslocado para uma condição de alta temperatura, isso é detectado pelo RTP e, a uma temperatura predefinida, o RTP é transformado em um resistor de alto valor.

Isso efetivamente corta o poder do MOSFET, salvando-o da destruição. Portanto, um resistor de preço mais baixo é sacrificado para economizar 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 sua capacidade de suportar grandes temperaturas, até 260ºC. Isso é surpreendente, pois a mudança na resistência (para proteger o MOSFET) geralmente ocorre em torno de 140ºC.

Esse feito milagroso é realizado através do 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 conclusão da solda de fluxo (acessório). Cada RTP deve ser armado individualmente, enviando uma corrente específica através do pino de armação da RTP por um tempo específico.

As características de tempo e corrente fazem parte das especificações da RTP. Antes de armar, o valor da resistência do RTP seguirá as características especificadas. No entanto, uma vez armado, o pino de armação será aberto eletricamente, impedindo novas alterações.

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

O resistor RTP permitirá até 80 A de corrente a 120 VCA através do MOSFET, desde que a temperatura do MOSFET permaneça abaixo da temperatura aberta do RTP, que pode estar entre 135-145ºC.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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Veja na FONTE até ser revisado o post.

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