Free Press

Grundlæggende regler/kontroller for valg af MOSFET’er

Drain to Source max voltage rating (max Vds) bestemmer den maksimale spænding, som du kan skifte.

Gate-tærskelspændingen bestemmer den spændingsforskel, du skal anvende til gaten for at få mosfet’en til at lede.

Gate to Source max spænding (max Vgs) er en kritisk faktor, som ikke må overskrides (selv ikke i nogle få nS), ellers kan MOSFET’en blive ødelagt. Vil strømskinnerne spidse? Hvis ja, så sørg for en form for beskyttelse af en art (f.eks. transient suppressor) eller vælg en enhed med en højere rating. Ved skift af højspændingsskinner (f.eks. 24V fra lavspændingslogik kan man ofte opfylde dette krav ved hjælp af en potentialdeler for at give mosfeten en gatespænding over 0V.

Er du nødt til at bruge et mosfet-driver-IC? Hvis mosfeten har en høj gate-switchingstrøm (f.eks. højstrøms-MOSFET’er) eller skal switches hurtigt (for at sikre, at mosfeten fungerer effektivt med minimal effektforbrug), kan dette være nødvendigt.

Kontroller bemærkningerne “Hvorfor MOSFET’er fejler” nedenfor

Generelle bemærkninger

Forbedrede MOSFET’er, når de er tændt, tillader strøm i begge retninger med en i det væsentlige identisk RDSON. Når de er slukket, blokerer de for strøm i den ene retning.

På grund af deres høje indgangsimpedans er MOSFET’er sårbare over for skader ved elektrostatiske udladninger. Nogle gange har de integrerede beskyttelsesdioder eller zenere.

Mosfets i forstærket tilstand indeholder en diode mellem source- og drænstifterne.
En dobbelt forstærket mosfet indeholder to dioder katode til katode.

En MOSFET kræver kun gate-strøm under koblingskanten for at oplade GS kapacitansen. Denne gate-strøm kan være høj.

Til at skifte 0V

Brug en N-kanals MOSFET med Source forbundet til 0V (enten direkte eller via en strømbegrænsende modstand) og belastningen forbundet til Drain.

Når Gate-spændingen overstiger Source-spændingen med mindst Gate-tærskelspændingen, ledes MOSFET’en. Jo højere spænding, jo mere kan Mosfet’en lede.

N-kanalmosfets har lavere on-modstande end P-kanalmosfets, så de er at foretrække, hvis man kan vælge, hvilken side man vil skifte.

N-kanal-MOSFET’er kan også skifte +V i visse konfigurationer, hvor Drain er Vin og Source er skiftet Vout.

Til at skifte +V med en P-kanals MOSFET

Brug en P-kanals MOSFET med Source forbundet til +V (enten direkte eller via en strømbegrænsende modstand) og belastningen forbundet til Drain.

Sædvanligvis skal Source-stiften være mere positiv end Drain (dette gælder dog ikke, når der anvendes en P-mosfet til f.eks. at give beskyttelse mod omvendt polaritet).

Når Gate-spændingen er lavere end (Kildespænding – Gate-tærskelspænding), leder MOSFET’en. Hvis gatespændingen er højere end dette, leder den ikke. Jo større spændingsforskel fra Source-spændingen, jo mere kan MOSFET’en lede.

P-kanalmosfets har højere on-modstande end N-kanalmosfets og er derfor ofte mindre at foretrække.

P-kanal-MOSFET’en har en fordel i forhold til N-kanal-MOSFET’en i nogle anvendelser på grund af den enkle on/off-styring. En N-kanals mosfet, der kobler +V, kræver en ekstra spændingsskinne til gaten; det gør P-kanalen ikke.

For at skifte +V med en N-kanals MOSFET

Brug en N-kanals MOSFET med Drain forbundet til +V og belastningen forbundet til Source.

Der er dog en hage ved dette arrangement – mosfet’en slår til baseret på, at Vgs-tærsklen nås, og kildespændingen i dette arrangement skifter mellem slukket (0V) og tændt (Vin). Det betyder, at du ikke kan skifte gate til Vin, du har brug for en anden spændingsskinne, der er højere end Vin med mindst mosfets Vgs-tærskel, og som heller ikke overstiger den maksimale Vgs-specifikation.

Gate-modstand

Ved anvendelse af en modstand af lav værdi mellem MOSFET-driveren og MOSFET-gate-terminalen dæmpes eventuelle ringende svingninger forårsaget af ledningsinduktansen og gatekapacitansen, som ellers kan overskride den maksimalt tilladte spænding på gate-terminalen. Den bremser også den hastighed, hvormed MOSFET’en tændes og slukkes. Dette kan være nyttigt, hvis de iboende dioder i MOSFET’en ikke tænder hurtigt nok.

Hvis du driver en MOSFET fra en hoppende, muligvis støjende ledning (f.eks. relækontakter), bør du bruge en lille seriemæssig gate-modstand tæt på MOSFET’en for at undertrykke VHF-svingninger. 22 ohm er rigeligt, du kan bruge mindre.

Hvis hastighed / udbredelsesforsinkelse er kritisk, skal du måske forsøge at undgå at bruge en gate-modstand eller holde dens værdi lav. For eksempel med et 5V-signal og en FDN335N kan en gate-modstand på 1K tilføje ca. 200-400nS propagationsforsinkelse (forsinket skift fra gate til dræn).

For højstrøms-MOSFET’er kan gate-kanalkapacitansen være meget høj, og en hurtigt skiftende drænspænding kan producere milliampere af transient gate-strøm. Dette kan være nok til at overdrive og endda beskadige sarte CMOS-driverchips. At have en seriemodstand er et kompromis mellem hastighed og beskyttelse, med værdier på 100R til 10K som typiske værdier. Selv uden induktive belastninger er der dynamisk gate-strøm. Desuden er MOSFET’er ekstremt modtagelige for skader forårsaget af elektrostatisk udladning og kan blive uigenkaldeligt beskadiget af et enkelt tilfælde af gatesammenbrud. Af denne grund er det en meget god idé at anvende gate-seriemodstande på 1K til 10K. Dette er især vigtigt, hvis Gate-signalet kommer fra et andet kredsløbskort.

Hvis en MOSFET kan efterlades flydende, skal der anvendes en pull down-modstand (100K til 1M er generelt ok) fra Gate til Source.

Gate Driver IC’er

Driver IC’er anvendes ofte til MOSFET’er med høj strøm og ved brug af hurtige skiftehastigheder, fordi MOSFET’en har brug for korte, men høje strømme for at skifte tilstand. Indgangene i en driver er typisk logisk niveau. MOSFET’er kræver ofte en 1 – 2 A-drev for at opnå effektiv switching ved frekvenser på hundreder af kilohertz. Denne strømforsyning er nødvendig på pulserende basis for hurtigt at oplade og aflade MOSFET-gatekapacitanserne.

Parallelisering af MOSFET’er

MOSFET’er kan placeres parallelt for at forbedre strømstyringskapaciteten. Du skal blot forbinde Gate-, Source- og Drain-terminalerne sammen. Et vilkårligt antal MOSFET’er kan paralleliseres, men bemærk, at gatekapacitansen øges, efterhånden som du paralleliserer flere MOSFET’er, og til sidst vil MOSFET-driveren ikke være i stand til at drive dem.

Anvendelse af N-kanal-mosfets til at skifte positive spændinger

Ja, det kan du! Så længe Vgs-specifikationen er opfyldt, vil en N-kanal typisk tænde og tillade strømmen at flyde fra Source til Drain (Source mere positiv end Drain). Kropsdioden vil lade strømmen flyde alligevel, men ved at tænde mosfet’en kan den flyde fuldt ud.

Brug af kropsdioden

Du kan bruge kropsdioden til at lade strømmen passere gennem en mosfet, men du skal være forsigtig og vide, hvad du gør, for at sikre, at mosfeten ikke bliver beskadiget ved at gøre det.

Mosfet True Switch / Bi-Directional Switch With P-Channel MOSFETs

Ved anvendelse af dette back to back arrangement af P Channel mosfets, vil strømmen, når den er tændt, løbe i begge retninger. Når den er slukket, er begge sider isoleret. Du kan bruge enhver typisk P-kanalmosfet.

Transistoromskifteren er nødvendig, fordi gates skal omskiftes af en open drain-udgang for at undgå, at der er en stor nok Vgs fra on off-signalet i forhold til de strømskinner, der er forbundet til de Drains, der omskiftes . Transistoren kunne være tabt af en open drain IC, som kan tolerere Drain spændinger, når off bruges til at levere signalet.

Bemærk, at dette arrangement kun er velegnet, hvis den spænding, der skiftes, er > Vgs skifte tærskelværdi for den anvendte mosfet.

Hvor dette ikke kan garanteres, eller hvor opto isolation er nødvendig, er foto mosfet solid state relæer en god løsning. Eksempler:

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V nominel. Kan med held skifte lave spændinger som +3V3 uden spændingsfald ud over det spændingsfald, der skyldes dens modstand i tændt tilstand (dvs. uden det spændingsfald, der er forbundet med at bruge en transistorudgangsoptoisolator).

Mosfet True Switch / Bi-Directional Switch With N-Channel MOSFETs

Et eksempel:

Hvorfor MOSFET’er fejler

Insufficient gate drive

MOSFET-enheder er kun i stand til at skifte store mængder strøm, fordi de er designet til at afgive minimal effekt, når de er tændt. Du skal sikre, at MOSFET’en er slået hårdt til for at minimere dissipationen under ledningen. Hvis enheden ikke er helt tændt, vil enheden have en høj modstand under ledningen og vil afgive en betydelig effekt som varme.

Over Voltage

Overskridelse af en MOSFETs nominelle spænding i blot et par nS, og du kan ødelægge den. Vælg MOSFET-enheder konservativt i forhold til de forventede spændingsniveauer, og sørg for at tage højde for eller håndtere undertrykkelse af eventuelle spændingsspidser eller ringning.

Spidsstrømsoverbelastning

Overbelastningsstrømme af kort varighed kan forårsage progressiv skade på en MOSFET, ofte med en lille mærkbar temperaturstigning før svigt. MOSFETS angiver ofte en høj spidsstrømsværdi, men disse er typisk kun for spidsstrømme på nogle få 100 uS. Hvis du skifter induktiv belastning, skal du sikre, at du overvurderer MOSFET’en til at håndtere spidsstrømme.

Langvarig overbelastning af strømmen

Hvis en MOSFET passerer en høj strøm, vil dens modstand i tændt tilstand få den til at varme op. Hvis varmeskinnet er dårligt, kan MOSFET’en blive ødelagt af for høj temperatur. En løsning på dette kan være at parallelisere flere MOSFET’er for at dele høje belastningsstrømme mellem dem.

H eller Full Bridge Configuration Shoot-through / Cross conduction

Ved brug af P- og N-MOSFETS mellem spændingsskinner til at levere en H- eller L-udgangsspænding vil MOSFET’erne, hvis styresignalerne til MOSFET’erne overlapper hinanden, effektivt kortslutte forsyningen, og dette kaldes en shoot-through-tilstand. Når det sker, bliver eventuelle forsyningsafkoblingskondensatorer hurtigt afladet gennem begge enheder, hver gang der sker en koblingsovergang, hvilket resulterer i meget korte, men store strømimpulser.

For at undgå dette skal man tillade en dødtid mellem koblingsovergangene, hvor ingen af MOSFET’erne er tændt.

Ingen frihjulstrømsvej

Ved omskiftning af induktive belastninger skal der være en vej til frihjulstrømsvej for back EMF, når MOSFET’en slår fra. Enhancement mode MOSFET’er indeholder en diode, der giver denne beskyttelse.

Slow reverse recovery of MOSFET body diode

Høje Q-resonanskredsløb er i stand til at lagre betydelig energi i deres induktans og egenkapacitet. Under visse afstemningsbetingelser bevirker dette, at strømmen “går i frihjul” gennem MOSFET-enhedernes interne kropsdioder, når den ene MOSFET slukker og den anden enhed tænder. Der opstår et problem på grund af den langsomme slukning (eller omvendt genopretning) af den interne kropsdiode, når den modsatte MOSFET forsøger at tænde. MOSFET-bodydioder har generelt en lang omvendt genopretningstid sammenlignet med selve MOSFET’ens ydeevne. Hvis den ene MOSFET’s kropsdiode er ledende, når den modsatte enhed tændes, opstår der en “kortslutning” i lighed med den ovenfor beskrevne “shoot-through”-tilstand. Man kan løse sit problem ved at tilføje en Schottky-diode, der er forbundet i serie med MOSFET-kilden (forhindrer, at MOSFET-kropsdioden nogensinde bliver forward-biased af friløbsstrømmen), og en højhastighedsdiode (hurtig genopretning), der er forbundet parallelt med MOSFET/Schottky-parret, således at friløbsstrømmen går helt uden om MOSFET’en og Schottky’en. Dette sikrer, at MOSFET-dioden aldrig drives i ledende tilstand. Friløbsstrømmen håndteres af de hurtige genopretningsdioder, som udgør et mindre problem med at skyde igennem.

Overdreven gate-drift

Hvis MOSFET-gaten drives med for høj spænding, kan gate-oxidisolationen punkteres, hvilket effektivt ødelægger MOSFET’en. Sørg for, at gate-drev-signalet er fri for smalle spændingsspidser, der kan overskride den maksimalt tilladte gate-spænding.

Langsomt skiftende overgange

Der går kun lidt energi tabt under de faste tænd- og sluktilstande, men der går betydelig energi tabt i overgangsperioderne. Det er derfor ønskeligt at skifte mellem tilstande så hurtigt som muligt for at minimere strømforbruget under skiftet. Da MOSFET-gaten er kapacitiv, kræves der betydelige strømimpulser for at oplade og aflade gaten i løbet af nogle få tiendedele nanosekunder. Spidsstrømme i gaten kan være så høje som en ampere.

Spuriøs svingning

MOSFET-indgange er relativt højimpedante, hvilket kan føre til stabilitetsproblemer. Under visse betingelser kan højspændings-MOSFET-enheder svinge ved meget høje frekvenser på grund af vildledende induktans og kapacitans i det omgivende kredsløb. (Frekvenser normalt i det lave MHz-område.) Der bør også anvendes et gate-drive-kredsløb med lav impedans for at forhindre, at forstyrrende signaler kobles til enhedens gate.

Konduceret interferens med styring

Hurtig omskiftning af store strømme kan forårsage spændingsdyk og transiente spidser på strømforsyningsskinnerne, som kan forstyrre styringskredsløbet. Der bør anvendes gode afkoblings- og stjernepunktsjordingsteknikker.

Statisk elektricitetsskade

MOSFET’er er meget følsomme over for statisk elektricitet. Antistatiske forholdsregler ved håndtering bør anvendes for at forhindre gateoxidskader.