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Regole di base per la selezione dei MOSFET / Controlli

La tensione massima di drenaggio alla sorgente (max Vds) determina la tensione massima che puoi commutare.

La tensione di soglia del gate determina la differenza di tensione che devi applicare al gate per far condurre il mosfet.

La tensione massima da Gate a Source (max Vgs) è un fattore critico che non deve essere superato (anche per pochi nS) o il MOSFET può essere distrutto. Le rotaie di alimentazione subiranno un picco? Se è così, prevedere una protezione di qualche tipo (ad esempio un soppressore di transitori) o selezionare un dispositivo con un rating più elevato. Quando si commutano binari ad alta tensione (ad es. 24V dalla logica a bassa tensione, spesso è possibile soddisfare questo requisito utilizzando un divisore di potenziale per fornire al mosfet una tensione di gate superiore a 0V.

È necessario utilizzare un circuito integrato di driver per mosfet? Se il mosfet ha un’alta corrente di commutazione di gate (per esempio i MOSFET ad alta corrente) o sarà commutato velocemente (per assicurare che il mosfet operi in modo efficiente con la minima dissipazione di potenza) allora questo potrebbe essere necessario.

Controllate le note “Perché i MOSFET falliscono” qui sotto

Note generali

I MOSFET potenziati quando sono accesi permettono la corrente in entrambe le direzioni con una RDSON essenzialmente identica. Quando sono spenti bloccano la corrente in una direzione.

A causa della loro alta impedenza d’ingresso i MOSFET sono vulnerabili ai danni delle scariche elettrostatiche. A volte hanno diodi di protezione integrati o zener.

I mosfet in modalità di potenziamento incorporano un diodo tra la sorgente e i pin di scarico.
Un doppio mosfet potenziato incorpora due diodi catodo a catodo.

Un MOSFET richiede solo la corrente di gate durante il bordo di commutazione, per caricare la capacità GS. Questa corrente di gate può essere alta.

Per commutare a 0V

Utilizzare un MOSFET a canale N con la sorgente collegata a 0V (direttamente o tramite una resistenza limitatrice di corrente) e il carico collegato al drenaggio.

Ogni volta che la tensione di Gate supera la tensione di Source di almeno la tensione di soglia di Gate, il MOSFET conduce. Più alta è la tensione, più il Mosfet può condurre.

I mosfet a canale N hanno resistenze più basse dei mosfet a canale P, quindi sono preferibili se si ha la possibilità di scegliere da che parte commutare.

I MOSFET a canale N possono anche commutare +V in certe configurazioni, con Drain che è Vin e Source che è Vout commutata.

Per commutare +V con un MOSFET a canale P

Utilizzare un MOSFET a canale P con la sorgente collegata a +V (direttamente o tramite una resistenza limitatrice di corrente) e il carico collegato alla drenaggio.

Solitamente il pin Source deve essere più positivo del Drain (tuttavia questo non è vero quando si usa un Mosfet P per fornire una protezione dall’inversione di polarità, per esempio).

Ogni volta che la tensione di Gate è inferiore alla (tensione di Source – tensione di Gate Threshold) il MOSFET conduce. Se la tensione di gate è superiore, non conduce. Maggiore è la differenza di tensione dalla sorgente, più il MOSFET può condurre.

I mosfet a canale P hanno resistenze più alte dei mosfet a canale N, quindi sono spesso meno preferibili.

Il MOSFET a canale P ha un vantaggio rispetto al MOSFET a canale N per alcune applicazioni grazie alla semplicità del controllo on/off. Un mosfet a canale N che commuta +V richiede un ulteriore binario di tensione per il gate; il canale P no.

Per commutare +V con un MOSFET a canale N

Utilizzare un MOSFET a canale N con il drenaggio collegato a +V e il carico collegato alla sorgente.

C’è un problema con questa disposizione però – il mosfet si accende in base alla soglia Vgs raggiunta e la tensione di origine in questa disposizione cambia tra off (0V) e on (Vin). Questo significa che non puoi commutare il gate a Vin, hai bisogno di un diverso binario di tensione che sia superiore a Vin di almeno la soglia Vgs del mosfet, e che non superi anche la specifica massima Vgs.

Resistenza di gate

Utilizzando una resistenza di basso valore tra il driver del MOSFET e il terminale di gate del MOSFET si smorzano le oscillazioni causate dall’induttanza del cavo e dalla capacità di gate che altrimenti possono superare la tensione massima consentita sul terminale di gate. Rallenta anche la velocità con cui il MOSFET si accende e si spegne. Questo può essere utile se i diodi intrinseci del MOSFET non si accendono abbastanza velocemente.

Se state pilotando un MOSFET da una linea rimbalzante e possibilmente rumorosa (per esempio contatti di relè), dovreste usare una piccola resistenza di gate in serie vicino al MOSFET, per sopprimere le oscillazioni VHF. 22 ohm sono sufficienti, puoi usarne di meno.

Se la velocità/ritardo di propagazione è critica, potrebbe essere necessario cercare di evitare di usare una resistenza di gate o mantenere il suo valore basso. Per esempio, con un segnale di 5V e un FDN335N, una resistenza di gate da 1K può aggiungere circa 200-400nS di ritardo di propagazione (ritardo nella commutazione da gate a drain).

Per i MOSFET ad alta corrente la capacità del canale di gate può essere molto alta e una tensione di drain che cambia rapidamente può produrre milliampere di corrente transitoria di gate. Questo potrebbe essere sufficiente per sovraccaricare e persino danneggiare i delicati chip driver CMOS. Avere un resistore in serie è un compromesso tra velocità e protezione, con valori tipici da 100R a 10K. Anche senza carichi induttivi c’è una corrente di gate dinamica. Inoltre, i MOSFET sono estremamente suscettibili ai danni causati dalle scariche elettrostatiche e possono essere danneggiati irreversibilmente da un singolo caso di rottura del gate. Per questo motivo è una buona idea usare resistenze in serie di gate da 1K a 10K. Questo è particolarmente importante se il segnale di Gate proviene da un altro circuito.

Se un MOSFET può essere lasciato fluttuante, allora usa una resistenza di pull down (da 100K a 1M è generalmente ok) da Gate a Source.

Gate Driver IC’s

Driver IC’s sono spesso usati per i MOSFET ad alta corrente e quando si usano veloci velocità di commutazione a causa del MOSFET che ha bisogno di brevi ma alte correnti per cambiare stato. Gli ingressi di un driver sono tipicamente a livello logico. Spesso i MOSFET richiedono un drive di 1 – 2A per ottenere una commutazione efficiente a frequenze di centinaia di kilohertz. Questo azionamento è richiesto su una base pulsata per caricare e scaricare rapidamente le capacità di gate del MOSFET.

MOSFET in parallelo

I MOSFET possono essere messi in parallelo per migliorare la capacità di gestione della corrente. Basta unire i terminali di Gate, Source e Drain. Qualsiasi numero di MOSFET può essere messo in parallelo, ma si noti che la capacità di gate aumenta man mano che si mettono in parallelo più MOSFET, e alla fine il driver del MOSFET non sarà in grado di pilotarli.

Utilizzare i Mosfet a canale N per commutare tensioni positive

Si può! Finché le specifiche Vgs sono rispettate, un canale N tipicamente si accende e permette alla corrente di fluire da Source a Drain (Source più positivo di Drain). Il diodo del corpo lascerà comunque scorrere la corrente, ma accendendo il mosfet la fa scorrere completamente.

Utilizzando il diodo di corpo

È possibile utilizzare il diodo di corpo per permettere alla corrente di passare attraverso un mosfet, ma è necessario fare attenzione e sapere cosa si sta facendo per garantire che il mosfet non sia danneggiato facendolo.

Mosfet True Switch / Interruttore bidirezionale con MOSFET a canale P

Utilizzando questa disposizione back to back di mosfet a canale P, quando è acceso la corrente fluirà in entrambe le direzioni. Quando è spento entrambi i lati sono isolati. È possibile utilizzare qualsiasi tipico mosfet a canale P.

Il transistor switch è necessario perché i gate devono essere commutati da un’uscita open drain per evitare che ci sia una Vgs abbastanza grande dal segnale on off in relazione alle rotaie di alimentazione collegate ai drain che vengono commutate. Il transistor potrebbe essere perso di un IC open drain che può tollerare le tensioni di Drain quando off è usato per fornire il segnale.

Nota che questa disposizione è adatta solo se la tensione che viene commutata è > Vgs soglia di commutazione del mosfet utilizzato.

Dove questo non può essere garantito o dove l’isolamento opto è necessario, relè allo stato solido foto mosfet sono una grande soluzione. Esempi:

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V nominali. Commuterà facilmente basse tensioni come +3V3 senza alcuna caduta di tensione se non quella causata dalla sua resistenza di stato (cioè senza la caduta di tensione dell’uso di un optoisolatore di uscita a transistor).

Mosfet True Switch / Interruttore bidirezionale con MOSFET a canale N

Un esempio:

Perché i MOSFET falliscono

Azionamento del gate insufficiente

I dispositivi MOSFET sono capaci di commutare grandi quantità di potenza solo perché sono progettati per dissipare una potenza minima quando sono accesi. Dovete assicurarvi che il MOSFET sia acceso a fondo per minimizzare la dissipazione durante la conduzione. Se il dispositivo non è completamente acceso, allora il dispositivo avrà un’alta resistenza durante la conduzione e dissiperà una notevole potenza come calore.

Sovratensione

Superare la tensione nominale di un MOSFET per pochi nS e si può distruggere. Selezionate i dispositivi MOSFET in modo conservativo per i livelli di tensione previsti e assicuratevi di prevedere o affrontare la soppressione di qualsiasi picco di tensione o squillo.

Sovracorrente di picco

Correnti di sovraccarico per una breve durata possono causare danni progressivi a un MOSFET spesso con un aumento di temperatura poco evidente prima del guasto. I MOSFET spesso citano valori di corrente di picco elevati, ma questi sono in genere solo per correnti di picco di qualche 100 uS. Se si commuta un carico induttivo, assicurarsi di sovrastimare il MOSFET per gestire le correnti di picco.

Sovraccarico di corrente prolungato

Se un MOSFET sta passando una corrente elevata allora la sua resistenza di stato on lo farà riscaldare. Se il dissipatore è scarso, il MOSFET può essere distrutto da una temperatura eccessiva. Una soluzione a questo può essere quella di mettere in parallelo più MOSFET per dividere tra loro le alte correnti di carico.

Configurazione a H o a ponte intero Shoot-through / Conduzione incrociata

Quando si usano MOSFET P e N tra i binari di tensione per fornire una tensione di uscita H o L, se i segnali di controllo ai MOSFET si sovrappongono, allora essi metteranno effettivamente in corto circuito l’alimentazione e ciò è noto come condizione di shoot-through. Quando si verifica, i condensatori di disaccoppiamento dell’alimentazione vengono scaricati rapidamente attraverso entrambi i dispositivi ogni volta che si verifica una transizione di commutazione, dando luogo a impulsi di corrente molto brevi ma di grandi dimensioni.

Per evitare questo è necessario consentire un tempo morto tra le transizioni di commutazione, durante il quale nessuno dei MOSFET è acceso.

Nessun percorso di corrente a ruota libera

Quando si commutano carichi induttivi ci deve essere un percorso per il back EMF a ruota libera quando il MOSFET si spegne. I MOSFET in modalità Enhancement incorporano un diodo che fornisce questa protezione.

Recupero inverso lento del diodo di corpo del MOSFET

I circuiti risonanti ad alto Q sono in grado di immagazzinare una notevole energia nella loro induttanza e autocapacità. In certe condizioni di sintonizzazione, questo fa sì che la corrente “giri a vuoto” attraverso i diodi di corpo interni dei dispositivi MOSFET quando un MOSFET si spegne e l’altro dispositivo si accende. Un problema sorge a causa del lento turn-off (o recupero inverso) del diodo del corpo interno quando il MOSFET opposto cerca di accendersi. I diodi di corpo dei MOSFET hanno generalmente un lungo tempo di recupero inverso rispetto alle prestazioni del MOSFET stesso. Se il diodo di corpo di un MOSFET è in conduzione quando il dispositivo opposto è acceso, allora si verifica un “corto circuito” simile alla condizione di shoot-through descritta sopra. Puoi risolvere il suo problema aggiungendo un diodo Schottky collegato in serie con la sorgente del MOSFET (impedisce che il diodo di corpo del MOSFET sia mai polarizzato in avanti dalla corrente di ruota libera) e un diodo ad alta velocità (recupero veloce) collegato in parallelo alla coppia MOSFET/Schottky in modo che la corrente di ruota libera bypassi completamente il MOSFET e lo Schottky. Questo assicura che il diodo del corpo del MOSFET non sia mai portato in conduzione. La corrente di ruota libera è gestita dai diodi a recupero rapido che presentano meno problemi di spargimento.

Pilotaggio eccessivo del gate

Se il gate del MOSFET viene pilotato con una tensione troppo alta, l’isolamento dell’ossido del gate può essere perforato distruggendo efficacemente il MOSFET. Assicurarsi che il segnale di pilotaggio del gate sia privo di picchi di tensione stretti che potrebbero superare la tensione massima consentita per il gate.

Transizioni di commutazione lente

Poca energia viene dissipata durante gli stati di accensione e spegnimento costanti, ma una notevole energia viene dissipata durante i tempi di una transizione. Pertanto è auspicabile passare da uno stato all’altro il più rapidamente possibile per ridurre al minimo la dissipazione di energia durante la commutazione. Poiché il gate del MOSFET appare capacitivo, richiede notevoli impulsi di corrente per caricare e scaricare il gate in poche decine di nano-secondi. Le correnti di picco del gate possono raggiungere l’ampere.

Oscillazione spuria

Gli ingressi dei MOSFET hanno un’impedenza relativamente alta, che può portare a problemi di stabilità. In certe condizioni i dispositivi MOSFET ad alta tensione possono oscillare a frequenze molto alte a causa di induttanze e capacità parassite nel circuito circostante. (Frequenze di solito nei bassi MHz.) Un circuito gate-drive a bassa impedenza dovrebbe anche essere usato per evitare che i segnali vaganti si accoppino al gate del dispositivo.

Interferenza condotta con il controllore

La commutazione rapida di grandi correnti può causare cali di tensione e picchi transitori sui binari di alimentazione che possono interferire con il circuito di controllo. Dovrebbero essere utilizzate buone tecniche di disaccoppiamento e di messa a terra a stella.

Danni da elettricità statica

I MOSFET sono molto sensibili alla statica. Le precauzioni di manipolazione antistatica dovrebbero essere usate per prevenire danni all’ossido di gate.