Free Press

Základní pravidla výběru MOSFETů / kontroly

Maximální napětí Drain to Source (max Vds) určuje maximální napětí, které můžete spínat.

Prahové napětí brány určuje rozdíl napětí, které musíte přivést na bránu, aby mosfet vedl.

Maximální napětí Gate to Source (max Vgs) je kritický faktor, který nesmí být překročen (ani na několik nS), jinak může dojít ke zničení mosfetu. Dojde ke špičkování napájecích kolejnic? Pokud ano, zajistěte nějakou ochranu (např. potlačovač přechodových jevů) nebo zvolte zařízení s vyšší jmenovitou hodnotou. Při spínání vysokonapěťových kolejnic (např. 24 V z nízkonapěťové logiky) lze tento požadavek často splnit pomocí děliče potenciálu, který mosfetu poskytne napětí na hradle nad 0 V.

Potřebujete použít integrovaný obvod s ovladačem mosfetu? Pokud má mosfet vysoký spínací proud brány (např. vysokoproudové MOSFETy) nebo bude spínán rychle (aby bylo zajištěno, že mosfet pracuje efektivně s minimálním ztrátovým výkonem), pak to může být nezbytné.

Podívejte se na níže uvedené poznámky „Proč MOSFETy selhávají“

Všeobecné poznámky

Zvýšené MOSFETy při zapnutí umožňují proud v obou směrech s v podstatě stejným RDSON. Ve vypnutém stavu blokují proud v jednom směru.

Vzhledem k vysoké vstupní impedanci jsou tranzistory MOSFET náchylné k poškození elektrostatickými výboji. Někdy mají integrované ochranné diody nebo zenery.

Mosfety s vylepšeným režimem obsahují diodu mezi vývody source a drain.
Dvojitý vylepšený mosfet obsahuje dvě diody od katody ke katodě.

MOSFET vyžaduje proud hradlem pouze během spínací hrany, aby se nabila kapacita GS. Tento proud hradlem může být vysoký.

Pro spínání 0V

Použijte N-kanálový MOSFET se Source připojeným k 0V (buď přímo, nebo přes rezistor omezující proud) a zátěží připojenou k Drain.

Kdykoli napětí Gate překročí napětí Source alespoň o prahové napětí Gate, MOSFET vede. Čím vyšší je napětí, tím více může Mosfet vést.

Mosfety s kanálem N mají nižší zapínací odpory než mosfety s kanálem P, takže jsou vhodnější, pokud máte na výběr, kterou stranu spínat.

N-kanálové mosfety mohou v určitých konfiguracích také spínat +V, přičemž Drain je Vin a Source je spínaný Vout.

K přepínání +V pomocí P-kanálového MOSFETu

Použijte P-kanálový MOSFET, jehož Source je připojen k +V (buď přímo, nebo přes rezistor omezující proud) a zátěž je připojena k Drain.

Obvykle musí být kolík Source kladnější než Drain (to však neplatí například při použití P Mosfetu pro zajištění ochrany proti přepólování).

Kdykoli je napětí Gate nižší než (napětí Source – prahové napětí Gate), MOSFET vede. Pokud je napětí hradla vyšší než toto, nevede. Čím větší je rozdíl napětí od zdroje, tím více může MOSFET vést.

Mosfety s kanálem P mají vyšší zapínací odpory než mosfety s kanálem N, takže jsou často méně výhodné.

Pro některé aplikace má P-kanálový MOSFET výhodu oproti N-kanálovému MOSFETu kvůli jednoduchosti řízení zapnutí/vypnutí. N-kanálový mosfet spínající +V vyžaduje další napěťovou lištu pro hradlo; P-kanálový nikoli.

Pro spínání +V pomocí N-kanálového MOSFETu

Použijte N-kanálový MOSFET s Drainem připojeným k +V a zátěží připojenou ke Source.

Toto uspořádání má však háček – mosfet se zapíná na základě dosažení prahové hodnoty Vgs a napětí zdroje se v tomto uspořádání mění mezi vypnutým (0V) a zapnutým (Vin). To znamená, že nemůžete přepínat hradlo na Vin, potřebujete jinou napěťovou lištu, která je vyšší než Vin alespoň o práh Vgs mosfetu a zároveň nepřekračuje maximální specifikaci Vgs.

Odpor hradla

Použití rezistoru s nízkou hodnotou mezi ovladačem MOSFET a svorkou hradla MOSFET tlumí případné zvonivé oscilace způsobené indukčností vedení a kapacitou hradla, které jinak mohou překročit maximální povolené napětí na svorce hradla. Zpomaluje také rychlost zapínání a vypínání tranzistoru MOSFET. To může být užitečné, pokud se vlastní diody v MOSFETu nezapínají dostatečně rychle.

Pokud řídíte MOSFET ze skákavého, případně hlučného vedení (například kontakty relé), měli byste použít malý sériový odpor hradla v blízkosti MOSFETu, abyste potlačili VKV oscilace. 22 ohmů bohatě stačí, můžete použít i méně.

Je-li rychlost / zpoždění šíření kritická, možná se budete muset pokusit vyhnout použití hradlového rezistoru nebo udržet jeho hodnotu nízkou. Například u signálu 5 V a FDN335N může odpor hradla 1 K přidat asi 200-400 nS zpoždění šíření (zpožděné přepínání z hradla na dren).

U vysokoproudých tranzistorů MOSFET může být kapacita kanálu brány velmi vysoká a rychle se měnící napětí na odtoku může vytvářet miliampéry přechodového proudu brány. To může stačit k přebuzení a dokonce k poškození citlivých čipů s ovladači CMOS. Sériový rezistor je kompromisem mezi rychlostí a ochranou, přičemž typické hodnoty jsou 100R až 10K. I bez indukční zátěže existuje dynamický proud hradla. Také tranzistory MOSFET jsou extrémně náchylné na poškození způsobené elektrostatickým výbojem a mohou být nevratně poškozeny jediným případem průrazu hradla. Z tohoto důvodu je velmi dobré používat sériové odpory hradla 1K až 10K. To je důležité zejména v případě, že signál Gate přichází z jiné desky s plošnými spoji.

Pokud by mohl být MOSFET ponechán v plovoucím stavu, pak použijte pull down rezistor (100K až 1M je obecně v pořádku) od Gate ke Source.

Ovládací obvody brány

Ovládací obvody se často používají pro vysokoproudové tranzistory MOSFET a při použití rychlých spínacích frekvencí, protože tranzistor MOSFET potřebuje ke změně stavu krátké, ale vysoké proudy. Vstupy ovladačů A jsou obvykle na logické úrovni. Často MOSFETy vyžadují 1 – 2A pohon, aby bylo dosaženo efektivního spínání při frekvencích stovek kilohertzů. Toto řízení je nutné na pulzní bázi pro rychlé nabíjení a vybíjení kapacit hradel MOSFET.

Paralelizování MOSFETů

MOSFETy mohou být umístěny paralelně, aby se zlepšila schopnost zpracovávat proud. Stačí spojit svorky Gate, Source a Drain dohromady. Paralelně lze zapojit libovolný počet tranzistorů MOSFET, ale mějte na paměti, že s přibývajícím počtem paralelních tranzistorů MOSFET se sčítá kapacita hradla a nakonec je ovladač MOSFET nebude schopen řídit.

Použití N-kanálových mosfetů ke spínání kladných napětí

Ano, můžete! Pokud je splněna specifikace Vgs, N kanál se obvykle zapne a nechá protékat proud ze zdroje na drajn (zdroj je kladnější než drajn). Těleso diody nechá proud téct tak jako tak, ale zapnutí mosfetu mu umožní téct naplno.

Použití tělesové diody

Tělesovou diodu můžete použít k tomu, aby proud procházel mosfetem, ale musíte být opatrní a vědět, co děláte, aby se tím mosfet nepoškodil.

Pravý mosfetový spínač / obousměrný spínač s P-kanálovými mosfety

Při tomto uspořádání P-kanálových mosfetů zády k sobě bude při zapnutí proud protékat oběma směry. Při vypnutí jsou obě strany izolovány. Můžete použít jakýkoli typický P kanálový mosfet.

Tranzistorový spínač je nutný, protože brány musí být spínány výstupem s otevřeným odtokem, aby nedocházelo k dostatečně velkému Vgs od signálu zapnuto-vypnuto vzhledem k napájecím kolejnicím připojeným ke spínaným drainům . Tranzistor by mohl být ztracen z IC s otevřeným odtokem, který může tolerovat napětí Drain při vypnutí se používá k zajištění signálu.

Poznamenejte, že toto uspořádání je vhodné pouze v případě, že spínané napětí je > Vgs spínacího prahu použitého mosfetu.

Kde toto nelze zaručit nebo kde je potřeba optická izolace, jsou polovodičová relé s fotomosfetem skvělým řešením. Příklady:

Avago ASSR-1218 – 200 mA, jmenovité napětí 60 V. Snadno bude spínat nízká napětí, jako je +3V3, bez jakéhokoli poklesu napětí jiného než způsobeného jeho zapínacím odporem (tj. bez poklesu napětí při použití tranzistorového výstupního optoizolátoru).

Mosfetový pravý spínač / obousměrný spínač s N-kanálovými MOSFETy

Příklad:

Proč MOSFETy selhávají

Nedostatečný pohon hradla

Zařízení MOSFET jsou schopna spínat velké množství výkonu pouze proto, že jsou navržena tak, aby při zapnutí rozptylovala minimální výkon. Musíte zajistit, aby byl MOSFET zapnut natvrdo, aby se minimalizoval rozptyl při vedení. Pokud není zařízení zcela zapnuto, bude mít při vedení velký odpor a bude rozptylovat značný výkon ve formě tepla.

Přepětí

Překročte jmenovité napětí MOSFETu jen o několik nS a můžete jej zničit. Zařízení MOSFET vybírejte konzervativně pro předpokládané úrovně napětí a zajistěte, abyste počítali s potlačením případných napěťových špiček nebo zvonění nebo se jimi zabývali.

Přetížení špičkovým proudem

Krátkodobé přetížení proudy může způsobit postupné poškození MOSFETu často s málo znatelným nárůstem teploty před poruchou. U MOSFETů se často uvádějí vysoké hodnoty špičkového proudu, ale ty jsou obvykle určeny pouze pro špičkové proudy o velikosti několika 100 uS. Pokud spínáte indukční zátěž, ujistěte se, že je MOSFET nadhodnocen, aby zvládl špičkové proudy.

Dlouhodobé proudové přetížení

Propouští-li MOSFET vysoký proud, pak jeho odpor v zapnutém stavu způsobí jeho zahřívání. Pokud je chlazení špatné, pak může být MOSFET zničen nadměrnou teplotou. Řešením tohoto problému může být paralelní zapojení více tranzistorů MOSFET, aby se mezi ně rozdělily vysoké zatěžovací proudy.

Konfigurace H nebo plného můstku Průstřel / křížové vedení

Při použití P a N MOSFETů mezi napěťovými lištami pro zajištění výstupního napětí H nebo L, pokud se řídicí signály k MOSFETům překrývají, pak účinně zkratují napájení a tento stav je znám jako průstřel. V takovém případě se všechny napájecí oddělovací kondenzátory při každém spínacím přechodu rychle vybíjejí přes obě zařízení, což vede k velmi krátkým, ale velkým proudovým impulzům.

Abyste se tomu vyhnuli, musíte mezi spínacími přechody nechat mrtvý čas, během kterého není zapnutý žádný z tranzistorů MOSFET.

Žádná cesta volného proudu

Při spínání indukčních zátěží musí existovat cesta pro zpětný elektromagnetický tok, který se při vypnutí tranzistoru MOSFET volně šíří. Zesílené tranzistory MOSFET obsahují diodu, která tuto ochranu zajišťuje.

Pomalá zpětná rekuperace diody v tělese MOSFETu

Rezonanční obvody s vysokým Q jsou schopny ukládat značnou energii ve své indukčnosti a vlastní kapacitě. Za určitých podmínek ladění to způsobuje „volnoběh“ proudu přes vnitřní tělesové diody zařízení MOSFET, když se jedno zařízení MOSFET vypíná a druhé zapíná. Problém vzniká v důsledku pomalého vypínání (nebo zpětného zotavení) vnitřní tělesové diody, když se opačný MOSFET pokusí zapnout. Diody v tělese MOSFETu mají obecně dlouhou dobu zpětného zotavení ve srovnání s výkonem samotného MOSFETu. Pokud tělesová dioda jednoho MOSFETu vede, když je zapnuto protilehlé zařízení, dojde ke „zkratu“ podobnému výše popsanému stavu průrazu. Jeho problém můžete vyřešit přidáním Schottkyho diody zapojené do série se zdrojem MOSFETu (zabrání tomu, aby byla tělesová dioda MOSFETu kdykoli předpružena volnoběžným proudem) a vysokorychlostní (rychle se zotavující) diody zapojené paralelně ke dvojici MOSFET/Schottky, takže volnoběžný proud zcela obejde MOSFET a Schottkyho. Tím je zajištěno, že dioda v tělese MOSFETu není nikdy uvedena do vodivého stavu. Volnoběžný proud je zpracováván diodami s rychlou obnovou, které představují menší problém při průrazu.

Příliš vysoké napětí na hradle

Pokud je hradlo MOSFETu řízeno příliš vysokým napětím, může dojít k proražení izolace oxidu hradla, čímž se MOSFET účinně zničí. Zajistěte, aby signál pohonu hradla neobsahoval žádné úzké napěťové špičky, které by mohly překročit maximální přípustné napětí na hradle.

Pomalé spínací přechody

Při ustáleném zapnutí a vypnutí se rozptyluje málo energie, ale v době přechodu se rozptyluje značná energie. Proto je žádoucí přepínat mezi stavy co nejrychleji, aby se minimalizoval rozptyl energie při přepínání. Protože se hradlo MOSFET jeví jako kapacitní, vyžaduje značné proudové impulsy, aby se hradlo nabilo a vybilo během několika desítek nanosekund. Špičkové proudy na hradle mohou dosahovat až jednoho ampéru.

Rušivé oscilace

Vstupy MOSFET mají relativně vysokou impedanci, což může vést k problémům se stabilitou. Za určitých podmínek mohou vysokonapěťová zařízení MOSFET oscilovat při velmi vysokých frekvencích v důsledku bludné indukčnosti a kapacity v okolním obvodu. (Frekvence se obvykle pohybují v nízkých MHz.) Aby se zabránilo vazbě bludných signálů na hradlo zařízení, měl by se také použít obvod s nízkou impedancí hradla.

Vodivé rušení řídicího obvodu

Rychlé spínání velkých proudů může způsobit poklesy napětí a přechodové špičky na napájecích lištách, které mohou rušit řídicí obvody. Měly by se používat techniky dobrého oddělení a uzemnění do hvězdy.

Poškození statickou elektřinou

MOSFETy jsou velmi citlivé na statickou elektřinu. Měla by se používat antistatická opatření pro manipulaci, aby se zabránilo poškození oxidu hradla.