Free Press

Basic MOSFET Selection Rules / Checks

A Drain to Source max voltage rating (max Vds) határozza meg a maximális kapcsolható feszültséget.

A kapu küszöbfeszültsége határozza meg, hogy mekkora feszültségkülönbséget kell a kapura kapcsolni ahhoz, hogy a mosfet vezessen.

A Gate to Source max feszültség (max Vgs) egy kritikus tényező, amelyet nem szabad túllépni (még néhány nS-re sem), különben a MOSFET tönkremehet. A teljesítménysínek kiugranak? Ha igen, akkor gondoskodjon valamilyen védelemről (pl. tranziens szupresszor), vagy válasszon nagyobb névleges értékű eszközt. Nagyfeszültségű sínek kapcsolásakor (pl. 24V alacsony feszültségű logikából) gyakran megfelelhet ennek a követelménynek egy potenciálosztó segítségével, hogy a mosfet kapufeszültséget kapjon 0V felett.

Szükség van egy mosfet vezérlő IC használatára? Ha a mosfet nagy kapu kapcsolási árammal rendelkezik (pl. nagyáramú MOSFET-ek), vagy gyorsan fog kapcsolni (annak biztosítása érdekében, hogy a mosfet hatékonyan, minimális teljesítményveszteséggel működjön), akkor erre szükség lehet.

Nézze meg az alábbi “Miért hibásodnak meg a MOSFET-ek” megjegyzéseket

Általános megjegyzések

A továbbfejlesztett MOSFET-ek bekapcsolt állapotban mindkét irányban megengedik az áramot lényegében azonos RDSON mellett. Kikapcsolt állapotban az egyik irányban blokkolják az áramot.

A magas bemeneti impedanciájuk miatt a MOSFET-ek érzékenyek az elektrosztatikus kisülések okozta károsodásra. Néha beépített védelmi diódákkal vagy zenerekkel rendelkeznek.

Elősítési módú mosfet-ek egy diódát tartalmaznak a forrás- és a lefolyócsapok között.
A dupla elősített mosfet két diódát tartalmaz katódról katódra.

Egy MOSFET csak a kapcsolási él alatt igényel kapuáramot a GS-kapacitás feltöltéséhez. Ez a kapuáram nagy lehet.

A 0V kapcsolásához

Használjon egy N-csatornás MOSFET-et, amelynek Source-ja 0V-ra van csatlakoztatva (közvetlenül vagy áramkorlátozó ellenálláson keresztül), a terhelés pedig a Drain-re csatlakozik.

Amikor a Gate feszültség legalább a Gate küszöbfeszültséggel meghaladja a Source feszültséget, a MOSFET vezet. Minél magasabb a feszültség, annál többet tud a Mosfet vezetni.

Az N-csatornás mosfeteknek alacsonyabb a bekapcsolási ellenállása, mint a P-csatornás mosfeteknek, ezért előnyösebb, ha választhat, hogy melyik oldalt kapcsolja.

Az N-csatornás MOSFET-ek bizonyos konfigurációkban +V-ot is kapcsolhatnak, a Drain a Vin és a Source a kapcsolt Vout.

A +V kapcsolása P-csatornás MOSFET-tel

Egy P-csatornás MOSFET-et használjon úgy, hogy a Source a +V-ra van kötve (közvetlenül vagy egy áramkorlátozó ellenálláson keresztül), a terhelés pedig a Drain-re van kötve.

A Source pin-nek általában pozitívabbnak kell lennie, mint a Drain-nek (ez azonban nem igaz, ha P Mosfet-et használunk például fordított polaritásvédelem biztosítására).

Amikor a Gate feszültség alacsonyabb, mint a (Source feszültség – Gate küszöbfeszültség) a MOSFET vezet. Ha a kapufeszültség ennél magasabb, akkor nem vezet. Minél nagyobb a feszültségkülönbség a Forráshoz képest, annál jobban tud a MOSFET vezetni.

A P csatornás mosfeteknek nagyobb a bekapcsolási ellenállása, mint az N csatornás mosfeteknek, ezért gyakran kevésbé előnyösek.

A P-csatornás MOSFET egyes alkalmazásokban előnyben van az N-csatornás MOSFET-tel szemben a be- és kikapcsolás vezérlésének egyszerűsége miatt. A +V-t kapcsoló N-csatornás mosfet további feszültségsínt igényel a kapu számára; a P-csatornás nem.

A +V kapcsolásához egy N-csatornás MOSFET-tel

Egy N-csatornás MOSFET-et használjon, amelynek Drain-je a +V-ra, a terhelés pedig a Source-ra van csatlakoztatva.

Van azonban egy csapda ezzel az elrendezéssel – a mosfet a Vgs küszöbérték elérése alapján kapcsol be, és a forrásfeszültség ebben az elrendezésben a kikapcsolt (0V) és a bekapcsolt (Vin) között változik. Ez azt jelenti, hogy nem lehet a kaput Vinre kapcsolni, szükség van egy másik feszültségsínre, amely legalább a mosfet Vgs küszöbértékével magasabb, mint Vin, és nem haladja meg a maximális Vgs specifikációt.

Kapuellenállás

A MOSFET-meghajtó és a MOSFET kapucsatlakozója között egy kis értékű ellenállás használata csillapítja a vezetési induktivitás és a kapukapacitás által okozott csengő rezgéseket, amelyek egyébként meghaladhatják a kapucsatlakozón megengedett maximális feszültséget. Lassítja továbbá a MOSFET be- és kikapcsolásának sebességét. Ez hasznos lehet, ha a MOSFET belső diódái nem kapcsolnak be elég gyorsan.

Ha egy MOSFET-et pattogó, esetleg zajos vezetékről (például relé érintkezőkről) hajt meg, akkor egy kis soros kapuellenállást kell használnia a MOSFET közelében, hogy elnyomja a VHF-oszcillációt. A 22 ohm bőven elég, használhat kevesebbet is.

Ha a sebesség / terjedési késleltetés kritikus, akkor megpróbálhatja elkerülni a kapuellenállás használatát, vagy alacsonyan tarthatja annak értékét. Például egy 5V-os jel és egy FDN335N esetén egy 1K kapuellenállás körülbelül 200-400nS terjedési késleltetést adhat hozzá (késleltetett kapcsolás a kaputól a lefolyóba).

A nagyáramú MOSFET-ek esetében a kapucsatorna kapacitása nagyon nagy lehet, és a gyorsan változó lefolyófeszültség milliampernyi átmeneti kapuáramot eredményezhet. Ez elég lehet a túlvezérléshez és akár a kényes CMOS vezérlőchipek károsodásához. A soros ellenállás alkalmazása kompromisszumot jelent a sebesség és a védelem között, a 100R és 10K közötti értékek jellemzőek. Induktív terhelések nélkül is van dinamikus kapuáram. Emellett a MOSFET-ek rendkívül érzékenyek az elektrosztatikus kisülés okozta károsodásra, és visszafordíthatatlanul károsodhatnak a kapu egyszeri meghibásodásával. Ezért nagyon jó ötlet 1K és 10K közötti kapu soros ellenállásokat használni. Ez különösen fontos, ha a Gate jel egy másik áramköri lapról érkezik.

Ha egy MOSFET lebegve hagyható, akkor használjon egy lehúzó ellenállást (100K és 1M között általában rendben van) a Gate és a Source között.

Gate Driver IC-k

A Driver IC-ket gyakran használják nagyáramú MOSFET-ekhez és gyors kapcsolási sebességek használatakor, mivel a MOSFET-nek rövid, de nagy áramra van szüksége az állapotváltáshoz. A meghajtók bemenetei jellemzően logikai szintűek. A MOSFET-ek gyakran 1 – 2A meghajtót igényelnek a több száz kilohertzes frekvencián történő hatékony kapcsoláshoz. Erre a meghajtásra impulzus alapon van szükség a MOSFET kapukapacitásának gyors töltéséhez és kisütéséhez.

MOSFET-ek párhuzamosítása

A MOSFET-ek párhuzamosan is elhelyezhetők az áramkezelési képesség javítása érdekében. Egyszerűen kösse össze a Gate, Source és Drain csatlakozókat. Bármennyi MOSFET párhuzamosítható, de vegye figyelembe, hogy a kapukapacitás összeadódik, ahogy több MOSFET-et párhuzamosít, és végül a MOSFET-meghajtó nem lesz képes meghajtani őket.

N csatornás Mosfetek használata pozitív feszültségek kapcsolására

Igen, megteheti! Amíg a Vgs specifikáció teljesül, az N-csatorna jellemzően bekapcsol, és lehetővé teszi az áram áramlását a Source-tól a Drain felé (a Source pozitívabb, mint a Drain). A testdióda amúgy is engedi az áramot, de a mosfet bekapcsolása lehetővé teszi a teljes áramlást.

A testdióda használata

A testdiódát használhatja, hogy az áramot átengedje a mosfet-en, de óvatosnak kell lennie, és tudnia kell, hogy mit csinál, hogy a mosfet ne sérüljön meg ezzel.

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

A P-csatornás mosfeteknek ezt a hátulról hátrafelé történő elrendezését használva, amikor az áram mindkét irányba áramlik. Kikapcsolt állapotban mindkét oldal el van szigetelve. Használhat bármilyen tipikus P-csatornás mosfetet.

A tranzisztoros kapcsolóra azért van szükség, mert a kapukat egy nyitott drain kimenettel kell kapcsolni, hogy ne legyen elég nagy Vgs a bekapcsolási kikapcsolási jelből a kapcsolandó Drains-hoz csatlakoztatott teljesítménysínekhez képest . A tranzisztor elveszhetett egy nyitott leeresztő IC-ből, amely elviseli a Drain feszültségeket, amikor kikapcsolt állapotban a jel biztosítására használják.

Megjegyezzük, hogy ez az elrendezés csak akkor alkalmas, ha a kapcsolandó feszültség > Vgs kapcsolási küszöbértéke a használt mosfet.

Ahol ez nem garantálható, vagy ahol opto-szigetelésre van szükség, a foto-mosfet szilárdtest relék nagyszerű megoldást jelentenek. Példák:

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V névleges feszültség. Szerencsésen kapcsolja az alacsony feszültségeket, mint a +3V3, anélkül, hogy bármilyen feszültségesés lenne, kivéve a bekapcsolt állapotú ellenállás okozta feszültségesést (azaz a tranzisztor kimeneti optoizolátor használatának feszültségesése nélkül).

Mosfet True Switch / Kétirányú kapcsoló N-csatornás MOSFET-ekkel

Egy példa:

Miért nem működnek a MOSFET-ek

Elégtelen kapu meghajtás

A MOSFET-eszközök csak azért képesek nagy teljesítményű kapcsolásra, mert úgy tervezték őket, hogy bekapcsoláskor minimális energiát vezessenek le. Biztosítania kell, hogy a MOSFET-et keményen bekapcsolja, hogy a vezetés közbeni disszipáció a lehető legkisebb legyen. Ha az eszköz nincs teljesen bekapcsolva, akkor az eszköznek nagy lesz az ellenállása a vezetés során, és hő formájában jelentős teljesítményt fog leadni.

Túlfeszültség

Túllépje a MOSFET névleges feszültségét csak néhány nS-sel, és tönkreteheti azt. Válassza ki a MOSFET eszközöket konzervatívan a várható feszültségszintekhez, és gondoskodjon arról, hogy lehetővé tegye vagy kezelje a feszültségcsúcsok vagy a csengés elnyomását.

Túlterhelés csúcsárammal

A rövid ideig tartó túlterhelési áramok fokozatos károsodást okozhatnak a MOSFET-ben, gyakran a meghibásodás előtti kis észrevehető hőmérséklet-emelkedéssel. A MOSFET-ek gyakran nagy csúcsáramú névleges értékeket adnak meg, de ezek jellemzően csak néhány 100 uS csúcsáramokra vonatkoznak. Induktív terhelés kapcsolása esetén győződjön meg róla, hogy a MOSFET-et túlméretezi a csúcsáramok kezeléséhez.

Hosszan tartó áramtúlterhelés

Ha egy MOSFET nagy áramot vezet át, akkor a bekapcsolt állapotú ellenállása felmelegedést okoz. Ha a hőelvezetés rossz, akkor a MOSFET a túlzott hőmérséklet miatt tönkremehet. Erre megoldás lehet több MOSFET párhuzamosítása, hogy a nagy terhelési áramok megoszthatók legyenek közöttük.

H vagy teljes hídkonfiguráció Átlövés / keresztvezetés

Mikor P és N MOSFET-eket használunk a feszültségsínek között H vagy L kimeneti feszültség biztosítása érdekében, ha a MOSFET-ek vezérlő jelei átfedik egymást, akkor azok gyakorlatilag rövidre zárják a tápellátást, és ezt nevezzük átlövési állapotnak. Amikor ez bekövetkezik, a tápfeszültség-leválasztó kondenzátorok mindkét eszközön keresztül gyorsan lemerülnek minden egyes kapcsolási átmenet alkalmával, ami nagyon rövid, de nagy áramimpulzusokat eredményez.

Ez elkerülése érdekében lehetővé kell tennie egy holtidőt a kapcsolási átmenetek között, amely alatt egyik MOSFET sem kapcsol be.

Nincs szabadonfutó áramút

Induktív terhelések kapcsolásakor a MOSFET kikapcsolásakor kell lennie egy útnak a visszavezető EMF szabadonfutásához. Az Enhancement Mode MOSFET-ek egy diódát tartalmaznak, amely ezt a védelmet biztosítja.

A MOSFET testdióda lassú visszatáplálása

A nagy Q-értékű rezonáns áramkörök jelentős energiát képesek tárolni induktivitásukban és önkapacitásukban. Bizonyos hangolási körülmények között ez azt okozza, hogy az áram “szabadonfutást” végez a MOSFET-eszközök belső testdiódáin keresztül, amikor az egyik MOSFET kikapcsol, a másik eszköz pedig bekapcsol. Probléma merül fel a belső testdióda lassú kikapcsolása (vagy fordított helyreállítása) miatt, amikor az ellentétes MOSFET megpróbál bekapcsolni. A MOSFET testdiódáknak általában hosszú a fordított helyreállítási ideje magának a MOSFET-nek a teljesítményéhez képest. Ha az egyik MOSFET testdiódája vezet, amikor az ellenoldali eszköz bekapcsol, akkor a fent leírt átlövési állapothoz hasonló “rövidzárlat” keletkezik. A problémáját úgy oldhatja meg, hogy a MOSFET forrással sorba kapcsolt Schottky-diódát (megakadályozza, hogy a MOSFET testdiódáját a szabadonfutó áram valaha is előrefeszítse) és a MOSFET/Schottky párossal párhuzamosan kapcsolt nagysebességű (gyors helyreállású) diódát ad hozzá, így a szabadonfutó áram teljesen megkerüli a MOSFET-et és a Schottkyt. Ez biztosítja, hogy a MOSFET-test dióda soha nem kerül vezetésbe. A szabadonfutó áramot a gyors helyreállító diódák kezelik, amelyek kevésbé jelentenek átlövési problémát.

Túlzott kapu meghajtás

Ha a MOSFET kapuját túl magas feszültséggel hajtják meg, a kapu oxidszigetelése kilyukadhat, ami hatékonyan tönkreteheti a MOSFET-et. Győződjön meg arról, hogy a kapu meghajtójel nem tartalmaz olyan keskeny feszültségcsúcsokat, amelyek meghaladhatják a maximálisan megengedett kapufeszültséget.

Lassú kapcsolási átmenetek

A stabil be- és kikapcsolt állapotok alatt kevés energia disszipálódik, de az átmenetek idején jelentős energiát veszít. Ezért kívánatos a lehető leggyorsabban váltani az állapotok között, hogy minimalizáljuk a kapcsolás közbeni energiaveszteséget. Mivel a MOSFET kapu kapacitívnak tűnik, jelentős áramimpulzusokra van szükség ahhoz, hogy a kapu néhány tíz nanoszekundum alatt feltöltődjön és lemerüljön. A kapu csúcsáramai elérhetik az egy ampert is.

Szűrös oszcilláció

A MOSFET bemenetek viszonylag nagy impedanciájúak, ami stabilitási problémákhoz vezethet. Bizonyos körülmények között a nagyfeszültségű MOSFET-eszközök a környező áramkörben lévő szórt induktivitás és kapacitás miatt nagyon magas frekvencián oszcillálhatnak. (Általában alacsony MHz-es frekvenciák.) Egy alacsony impedanciájú kapu-meghajtó áramkört is kell használni, hogy megakadályozzuk a szórt jelek csatolását az eszköz kapujához.

Vezetett zavarok a vezérlővel

A nagy áramok gyors kapcsolása feszültségcsökkenéseket és átmeneti tüskéket okozhat a tápellátó síneken, amelyek zavarhatják a vezérlő áramköröket. Jó leválasztási és csillagpontos földelési technikákat kell alkalmazni.

Statikus elektromosság okozta károk

A MOSFET-ek nagyon érzékenyek a statikus elektromosságra. Antisztatikus kezelési óvintézkedéseket kell alkalmazni a kapuoxidok károsodásának megelőzése érdekében.