Cómo proteger los MOSFET: conceptos básicos explicados

En esta publicación, aprendemos de manera integral cómo proteger los mosfets y prevenir la quema de mosfets en circuitos electrónicos siguiendo algunas pautas básicas relacionadas con el diseño correcto de PCB y el manejo manual cuidadoso de estos dispositivos sensibles.

Introducción

Incluso después de conectar todo correctamente, encontrará que los mosfets en su circuito se calientan y se apagan en minutos. Este es un problema bastante común que enfrentan la mayoría de los aficionados nuevos y experimentados al diseñar y optimizar circuitos basados ​​en mosfet, especialmente los que involucran altas frecuencias.

Obviamente, conectar todas las partes correctamente según los detalles dados es lo principal que debe verificarse y confirmarse primero antes de asumir otros problemas, porque a menos que las cosas fundamentales se solucionen absolutamente, no tendría sentido rastrear los otros errores ocultos en su circuito .

La aplicación básica de protección Mosfet se vuelve crítica específicamente en aquellos circuitos que involucran altas frecuencias del orden de muchos kHz. Esto se debe a que las aplicaciones de alta frecuencia requieren un encendido y apagado rápido (dentro de ns) de los dispositivos, lo que a su vez exige una implementación eficiente de todos los criterios asociados directa o indirectamente con la conmutación en cuestión.

Entonces, ¿cuáles son los principales obstáculos que causan un cambio inadecuado o ineficiente de los mosfets? Aprendamos de manera integral cómo proteger los mosfets con los siguientes puntos.

Deshazte de la inductancia perdida:

El error más común y principal en la cola es la inductancia parásita que puede estar oculta dentro de las pistas del circuito. Cuando la frecuencia de conmutación y la corriente son altas, incluso un aumento innecesario más mínimo en la ruta de conexión que es la pista de PCB puede resultar en una inductancia interconectada que a su vez puede afectar el comportamiento del mosfet drásticamente debido a la conducción ineficiente, transitorios y picos.

Para deshacerse de este problema, se recomienda encarecidamente mantener las pistas más anchas y mantener los dispositivos lo más cerca posible entre sí y del controlador IC que se utilizan para conducir los respectivos mosfets.

Es por eso que se prefiere SMD y es la mejor manera de eliminar la inductancia cruzada entre los componentes; además, el uso de PCB de doble cara ayuda a controlar el problema debido a sus conexiones cortas de 'orificio pasante' entre los componentes.

Incluso la altura de pie de los mosfets debe reducirse al mínimo insertando el cable lo más profundo posible en la PCB, el uso de SMD es probablemente la mejor opción.

Todos sabemos que los mosfets incluyen condensadores incorporados que requieren carga y descarga para que el dispositivo funcione.

Básicamente, estos condensadores están conectados a través de la puerta / fuente y la puerta / drenaje. A los Mosfets 'no les gusta' la carga y descarga prolongadas de su capacidad, ya que están directamente relacionadas con su eficiencia.

La conexión de los mosfets directamente a una salida de fuente lógica puede parecer que resuelve este problema, porque la fuente lógica cambiaría fácilmente y hundiría la capacitancia de Vcc a cero rápidamente, y viceversa debido a la ausencia de cualquier obstáculo en su camino.

Sin embargo, la implementación de la consideración anterior también podría conducir a la generación de picos transitorios y negativos con amplitudes peligrosas a través del drenaje y la puerta, lo que hace que el mosfet sea vulnerable a los picos generados debido al cambio repentino de alta corriente a través del drenaje / fuente.

Esto podría romper fácilmente la separación de silicio entre las secciones del mosfet provocando un cortocircuito dentro del dispositivo y dañándolo permanentemente.

Importancia de la resistencia de la puerta:

Para deshacerse del problema anterior, se recomienda utilizar una resistencia de bajo valor en serie con la entrada lógica y la puerta mosfet.

Con frecuencias relativamente más bajas (50 Hz a 1 kHz), el valor podría estar entre 100 y 470 ohmios, mientras que para frecuencias superiores a este el valor podría estar dentro de los 100 ohmios, para frecuencias mucho más altas (10 kHz y superiores) no debe exceder los 50 ohmios. .

La consideración anterior permite la carga exponencial o la carga gradual de los condensadores internos reduciendo o disminuyendo las posibilidades de picos negativos en los pines de drenaje / compuerta.

Usando diodos inversos:

En la consideración anterior, una carga exponencial de la capacitancia de la puerta reduce las posibilidades de picos, pero eso también significa que la descarga de la capacitancia involucrada se retrasaría debido a la resistencia en el camino de la entrada lógica, cada vez que cambia a cero lógico. Causar una descarga retrasada significaría forzar al mosfet a conducir en condiciones estresantes, haciéndolo innecesariamente más cálido.

Incluir un diodo inverso paralelo con la resistencia de la puerta es siempre una buena práctica y simplemente aborda la descarga retardada de la puerta proporcionando una ruta continua para la descarga de la puerta a través del diodo y hacia la entrada lógica.

Los puntos mencionados anteriormente con respecto a la implementación correcta de mosfets se pueden incluir fácilmente en cualquier circuito para proteger a los mosfets de fallos misteriosos y quemaduras.

Incluso en aplicaciones complicadas, como circuitos de controlador mosfet de medio puente o puente completo, junto con algunas protecciones adicionales recomendadas.

Usando una resistencia entre la puerta y la fuente

Aunque no hemos indicado esta inclusión en las imágenes anteriores, se recomienda encarecidamente para evitar que el mosfet sople en todas las circunstancias.

Entonces, ¿cómo una resistencia a través de la puerta / fuente proporciona una protección garantizada?

Bueno, normalmente los mosfets tienden a engancharse cada vez que se aplica un voltaje de conmutación, este efecto de enclavamiento a veces puede ser difícil de revertir, y para cuando se aplica una corriente de conmutación opuesta, ya es demasiado tarde.

La resistencia mencionada asegura que tan pronto como se elimine la señal de conmutación, el mosfet pueda apagarse rápidamente y evitar un posible daño.

Este valor de resistencia podría estar entre 1K y 10K, sin embargo, valores más bajos proporcionarían resultados mejores y más efectivos.

Protección contra avalanchas

Los MOSFET pueden dañarse si la temperatura de su unión aumenta repentinamente más allá del límite tolerable debido a condiciones de sobrevoltaje en los diodos internos del cuerpo. Esta ocurrencia se denomina avalancha en los MOSFET.

El problema puede surgir cuando se usa una carga inductiva en el lado de drenaje del dispositivo, y durante los períodos de apagado del MOSFET, el EMF inverso del inductor que pasa a través del diodo del cuerpo del MOSFET se vuelve demasiado alto, causando un aumento repentino en las temperaturas de unión del MOSFET, y su avería.

El problema se puede abordar agregando un diodo externo de alta potencia a través de los terminales de drenaje / fuente de los MOSFET, de modo que la corriente inversa se comparta entre los diodos y se elimine el exceso de generación de calor.

Protección contra quemaduras de mosfets en circuitos de puente H

Al usar un circuito de controlador de puente completo que involucra un IC de controlador como el IR2110 además del anterior, los siguientes aspectos deben tenerse en cuenta (lo discutiré en detalle en uno de mis próximos artículos pronto)

• Agregue un condensador de desacoplamiento cerca de los pines de suministro de IC del controlador, esto reducirá los transitorios de conmutación a través de los pines de suministro internos, lo que a su vez evitará la lógica de salida no natural a las puertas mosfet.
• Utilice siempre condensadores de alta calidad, baja ESD y baja fuga para el condensador de arranque y posiblemente use un par de ellos en paralelo. Use dentro del valor recomendado dado en la hoja de datos.
• Siempre conecte los cuatro enlaces mosfet lo más cerca posible entre sí. Como se explicó anteriormente, esto reducirá la inductancia parásita a través de los mosfets.
• Y, conecte un capacitor de valor relativamente grande a través del lado positivo alto (VDD) y la tierra del lado bajo (VSS), esto efectivamente conectará a tierra toda la inductancia parásita que pueda estar escondida alrededor de las conexiones.
• Una el VSS, la tierra del lado bajo del mosfet y la tierra de entrada lógica todos juntos, y termine en una sola tierra gruesa común al terminal de suministro.
• Por último, pero no menos importante, lave bien la placa con acetona o un agente antiflujo similar para eliminar todos los posibles rastros del fundente de soldadura para evitar interconexiones ocultas y cortocircuitos.

Protección de los mosfets del sobrecalentamiento

Los atenuadores de iluminación a menudo sufren fallas MOSFET. La mayoría de los atenuadores utilizados en aplicaciones industriales de CA de baja temperatura están encerrados y, a menudo, empotrados en la pared. Esto puede causar problemas de disipación de calor y puede resultar en una acumulación de calor, lo que lleva a un evento térmico. Por lo general, el MOSFET utilizado para los circuitos de atenuación de iluminación falla en 'modo resistivo'.

Una protección térmica con capacidad de reflujo o RTP de TE Connectivity proporciona una respuesta a la falla del MOSFET en aplicaciones de CA de baja temperatura.

Este dispositivo actúa como una resistencia de bajo valor a las temperaturas de funcionamiento normales del MOSFET. Está montado casi directamente en el MOSFET y, por lo tanto, puede detectar la temperatura con precisión. Si por alguna razón, el MOSFET se desplaza a una condición de alta temperatura, esto es detectado por el RTP y, a una temperatura predefinida, el RTP cambia a una resistencia de alto valor.

Esto efectivamente corta la energía al MOSFET, salvándolo de la destrucción. Por lo tanto, una resistencia de menor precio se sacrifica para ahorrar un MOSFET más caro. Una analogía similar podría ser el uso de un fusible (material de bajo valor) para proteger circuitos más complejos (por ejemplo, un televisor).

Uno de los aspectos más interesantes del RTP de TE Connectivity es su capacidad para soportar temperaturas enormes, hasta 260ºC. Esto es sorprendente ya que el cambio de resistencia (para proteger el MOSFET) suele ocurrir alrededor de los 140ºC.

Esta hazaña milagrosa se logra a través del diseño innovador de TE Connectivity. El RTP debe activarse antes de que comience a proteger el MOSFET. La activación electrónica del RTP ocurre después de que se completa la soldadura por flujo (accesorio). Cada RTP debe armarse individualmente enviando una corriente específica a través del pin de armado del RTP durante un tiempo específico.

Las características de tiempo-corriente son parte de las especificaciones del RTP. Antes de ser armado, el valor de la resistencia del RTP seguirá las características especificadas. Sin embargo, una vez que está armado, la clavija de armado se abrirá eléctricamente, evitando cambios adicionales.

Es muy importante que se siga el diseño especificado por TE Connectivity al diseñar y montar el MOSFET y el RTP en la PCB. Dado que el RTP tiene que detectar la temperatura del MOSFET, naturalmente se deduce que los dos deben permanecer muy cerca.

La resistencia RTP permitirá hasta 80A de corriente a 120V AC a través del MOSFET siempre que la temperatura del MOSFET permanezca por debajo de la temperatura abierta del RTP, que puede estar entre 135-145ºC.