Free Press

Basic MOSFET Selection Rules / Checks

The Drain to Source max voltage rating (max Vds) bepaalt de maximale spanning die u kunt schakelen.

De Gate drempelspanning bepaalt het spanningsverschil dat u op de gate moet toepassen om de mosfet te laten geleiden.

De Gate to Source max spanning (max Vgs) is een kritische factor die niet mag worden overschreden (zelfs niet voor een paar nS) of de MOSFET kan worden vernietigd. Zullen de stroomsporen pieken? Zo ja, zorg dan voor een soort beveiliging (b.v. een transient suppressor) of kies een apparaat met een hogere rating. Bij het schakelen van hoogspanningsrails (b.v. 24V van laagspanningslogica) kunt u vaak aan deze eis voldoen door een potentiaalverdeler te gebruiken om de mosfet te voorzien van een poortspanning boven 0V.

Moet u een mosfet driver IC gebruiken? Als de mosfet een hoge Gate-schakelstroom heeft (b.v. high current MOSFETs) of snel geschakeld zal worden (om te zorgen dat de mosfet efficiënt werkt met minimale vermogensdissipatie) dan kan dit noodzakelijk zijn.

Kijk ook eens naar de ‘Waarom MOSFET’s falen’-opmerkingen hieronder

Algemene opmerkingen

Geoptimaliseerde MOSFET’s laten in ingeschakelde toestand stroom in beide richtingen toe met een in wezen identieke RDSON. In uitgeschakelde toestand blokkeren zij de stroom in één richting.

Omwille van hun hoge ingangsimpedantie zijn MOSFET’s kwetsbaar voor schade door elektrostatische ontladingen. Soms hebben ze ingebouwde beschermingsdiodes of zeners.

Enhancement mode mosfets bevatten een diode tussen de bron- en drainpennen.
Een dubbele enhanced mosfet bevat twee diodes kathode tegen kathode.

Een MOSFET heeft alleen poortstroom nodig tijdens de schakelflank, om de GS-capaciteit op te laden. Deze poortstroom kan hoog zijn.

Om 0V te schakelen

Gebruik een N-kanaals MOSFET waarvan de Source op 0V is aangesloten (hetzij rechtstreeks, hetzij via een stroombegrenzende weerstand) en de belasting op Drain.

Wanneer de gatespanning de bronspanning met ten minste de Gate Threshold Voltage overschrijdt, geleidt de MOSFET. Hoe hoger de spanning, hoe meer de Mosfet kan geleiden.

N-kanaals mosfets hebben lagere aan-weerstanden dan P-kanaals mosfets en verdienen dus de voorkeur als u de keus heeft aan welke kant geschakeld moet worden.

N-kanaals MOSFET’s kunnen in bepaalde configuraties ook +V schakelen, waarbij Drain Vin is en Source geschakelde Vout.

Om +V te schakelen met een P-kanaals MOSFET

Gebruik een P-kanaals MOSFET met Source aangesloten op +V (hetzij rechtstreeks of via een stroombegrenzende weerstand) en de belasting aangesloten op Drain.

Normaal gesproken moet de Source pin positiever zijn dan de Drain (dit is echter niet het geval bij gebruik van een P Mosfet als bescherming tegen omgekeerde polariteit bijvoorbeeld).

Wanneer de gatespanning lager is dan de (Source Voltage – Gate Threshold voltage) geleidt de MOSFET. Als de gatespanning hoger is dan dit, geleidt hij niet. Hoe groter het spanningsverschil met de Source, hoe meer de MOSFET kan geleiden.

P-kanaals mosfets hebben hogere aan-weerstanden dan N-kanaals mosfets en verdienen daarom vaak minder de voorkeur.

De P-kanaals MOSFET heeft voor sommige toepassingen een voordeel boven de N-kanaals MOSFET vanwege de eenvoud van de aan/uit regeling. Een N-kanaals mosfet die +V schakelt, vereist een extra spanningsrail voor de gate; de P-kanaals doet dat niet.

Om +V te schakelen met een N-kanaals MOSFET

Gebruik een N-kanaals MOSFET met de Drain aangesloten op +V en de belasting aangesloten op de Source.

Er zit echter een addertje onder het gras bij deze opstelling – de mosfet schakelt in op basis van de Vgs-drempel die wordt bereikt en de bronspanning in deze opstelling wisselt tussen uit (0V) en aan (Vin). Dit betekent dat je de gate niet op Vin kunt schakelen, je hebt een andere spanningsrail nodig die hoger is dan Vin met ten minste de mosfets Vgs-drempel, en ook niet hoger dan de maximale Vgs-specificatie.

Gate Weerstand

Het gebruik van een lage waarde weerstand tussen de MOSFET driver en de MOSFET gate terminal dempt eventuele ringing oscillaties veroorzaakt door de lead inductantie en gate capaciteit die anders de maximaal toegestane spanning op de gate terminal kan overschrijden. Het vertraagt ook de snelheid waarmee de MOSFET in- en uitschakelt. Dit kan nuttig zijn als de intrinsieke diodes in de MOSFET niet snel genoeg inschakelen.

Als u een MOSFET aanstuurt vanaf een stuiterende, mogelijk lawaaierige, lijn (bijvoorbeeld relaiscontacten), moet u een kleine seriële poortweerstand dicht bij de MOSFET gebruiken, om VHF-oscillatie te onderdrukken. 22 ohm is voldoende, u kunt ook minder gebruiken.

Als snelheid/voortplantingsvertraging kritisch is, kan het nodig zijn het gebruik van een gate-weerstand te vermijden of de waarde ervan laag te houden. Bijvoorbeeld met een 5V signaal en een FDN335N, kan een 1K gate weerstand toe te voegen ongeveer 200-400nS propagatie vertraging (vertraagd schakelen van gate naar drain).

Voor MOSFET’s met hoge stroomsterkte kan de capaciteit van het poortkanaal zeer hoog zijn en een snel veranderende afvoerspanning kan milliampères aan transiënte poortstroom produceren. Dit kan genoeg zijn om delicate CMOS driver chips te overbelasten en zelfs te beschadigen. Het gebruik van een serieweerstand is een compromis tussen snelheid en bescherming, waarbij waarden van 100R tot 10K typisch zijn. Zelfs zonder inductieve belastingen is er dynamische poortstroom. Bovendien zijn MOSFET’s uiterst gevoelig voor schade door elektrostatische ontlading en kunnen zij onomkeerbaar beschadigd raken door één enkele defecte poort. Om deze reden is het een zeer goed idee om gate serieweerstanden van 1K tot 10K te gebruiken. Dit is vooral belangrijk als het Gate signaal afkomstig is van een andere printplaat.

Als een MOSFET zwevend kan worden gelaten, gebruik dan een pull down weerstand (100K tot 1M is meestal ok) van Gate naar Source.

Gate Driver IC’s

Driver IC’s worden vaak gebruikt voor MOSFET’s met hoge stroomsterkte en bij gebruik van snelle schakelsnelheden, omdat de MOSFET korte maar hoge stromen nodig heeft om van toestand te veranderen. De ingangen van een driver zijn meestal logisch niveau. Vaak hebben MOSFET’s een aandrijving van 1 – 2 A nodig om efficiënt te kunnen schakelen bij frequenties van honderden kilohertz. Deze aandrijving is pulserend nodig om de gatecapaciteiten van de MOSFET snel op te laden en te ontladen.

Parallellering van MOSFET’s

MOSFET’s kunnen parallel worden geplaatst om de stroomverwerkingscapaciteit te verbeteren. Verbind eenvoudig de Gate, Source en Drain klemmen met elkaar. U kunt een willekeurig aantal MOSFET’s parallel schakelen, maar let erop dat de gate-capaciteit toeneemt naarmate u meer MOSFET’s parallel schakelt, en dat de MOSFET-driver uiteindelijk niet in staat zal zijn ze aan te sturen.

Een N-kanaals Mosfet gebruiken om positieve spanningen te schakelen

Ja, dat kan! Zolang aan de Vgs-specificatie wordt voldaan, zal een N-kanaal doorgaans inschakelen en stroom van Source naar Drain laten lopen (Source positiever dan Drain). De body diode laat de stroom sowieso lopen, maar door de mosfet aan te zetten kan de stroom volledig lopen.

De body diode gebruiken

U kunt de body diode gebruiken om stroom door een mosfet te laten lopen, maar u moet wel voorzichtig zijn en weten wat u doet om er zeker van te zijn dat de mosfet hierdoor niet beschadigd wordt.

Mosfet True Switch / Bi-Directionele Schakelaar met P-Kanaals MOSFET’s

Met deze back-to-back opstelling van P-Kanaals mosfets kan de stroom in beide richtingen lopen. In uitgeschakelde toestand zijn beide zijden geïsoleerd. U kunt elke typische P-kanaal mosfet gebruiken.

De transistorschakelaar is nodig omdat de poorten moeten worden geschakeld door een open-drain uitgang om te voorkomen dat er een groot genoeg Vgs van het aan-uit-signaal is in relatie tot de stroomrails die zijn aangesloten op de drains die worden geschakeld. De transistor zou kunnen worden verloren van een open drain IC die de Drain spanningen kan tolereren wanneer off wordt gebruikt om het signaal te leveren.

Merk op dat deze regeling alleen geschikt is als de spanning die wordt geschakeld > Vgs schakeldrempel van de gebruikte mosfet is.

Waar dit niet kan worden gegarandeerd of waar opto-isolatie nodig is, zijn foto-mosfet solid-state relais een prima oplossing. Voorbeelden:

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V nominaal. Schakelt gemakkelijk lage spanningen zoals +3V3 zonder enige spanningsval anders dan veroorzaakt door zijn weerstand in de aan-stand (dat wil zeggen zonder de spanningsval van het gebruik van een transistor output opto isolator).

Mosfet True Switch / Bi-Directionele schakelaar met N-kanaals MOSFET’s

Een voorbeeld:

Waarom MOSFET’s falen

Onvoldoende gate drive

MOSFET-apparaten zijn alleen in staat om grote hoeveelheden vermogen te schakelen omdat ze zijn ontworpen om minimaal vermogen te dissiperen wanneer ze worden ingeschakeld. U moet ervoor zorgen dat de MOSFET hard wordt ingeschakeld om de dissipatie tijdens geleiding te minimaliseren. Als het apparaat niet volledig is ingeschakeld, zal het tijdens de geleiding een hoge weerstand hebben en een aanzienlijk vermogen als warmte afgeven.

Over Voltage

Overschrijd een MOSFETs voltage voor slechts een paar nS en u kunt hem vernietigen. Selecteer MOSFET apparaten conservatief voor de verwachte spanningsniveaus en zorg ervoor dat u eventuele spanningspieken of rinkelen kunt onderdrukken.

Piekstroomoverbelasting

Overbelastingsstromen van korte duur kunnen progressieve schade aan een MOSFET veroorzaken, vaak met weinig merkbare temperatuurstijging vóór de storing. MOSFETS geven vaak een hoge piekstroom aan, maar dit is meestal slechts voor piekstromen van enkele 100 uS. Als u een inductieve belasting schakelt, moet u de MOSFET overbelasten om piekstromen aan te kunnen.

Piekstroom overbelasting

Als een MOSFET een hoge stroom doorlaat, zal de weerstand in de aan-stand ervoor zorgen dat hij opwarmt. Als de koeling slecht is, kan de MOSFET worden vernietigd door te hoge temperatuur. Een oplossing hiervoor kan zijn om meerdere MOSFET’s parallel te schakelen om hoge belastingsstromen tussen hen te verdelen.

H- of volledige brugconfiguratie Doorschieten / kruisgeleiding

Wanneer P- en N-MOSFETS tussen spanningsrails worden gebruikt om een H- of L-uitgangsspanning te leveren, zullen de stuursignalen naar de MOSFET’s elkaar overlappen en kortsluiting in de voeding veroorzaken, wat een doorschietconditie wordt genoemd. Wanneer het voorkomt worden om het even welke voeding ontkoppelende condensatoren snel door beide apparaten gelost telkens als een omschakelingsovergang voorkomt en resulterend in zeer korte maar grote huidige impulsen.

Om dit te voorkomen moet u een dode tijd tussen de schakeltransities toestaan, waarin geen van beide MOSFET’s wordt ingeschakeld.

Geen vrijloop-stroompad

Bij het schakelen van inductieve belastingen moet er een pad zijn voor de terugslag-EMF om vrij te lopen wanneer de MOSFET uitschakelt. Enhancement mode MOSFET’s bevatten een diode die deze bescherming biedt.

Traag omgekeerd herstel van MOSFET-lichaamsdiode

Hoge Q-resonantiekringen zijn in staat aanzienlijke energie op te slaan in hun inductantie en eigencapaciteit. Onder bepaalde afstemmingsomstandigheden leidt dit ertoe dat de stroom door de inwendige diodes van de MOSFET-apparaten “heen en weer slingert” wanneer één MOSFET uitschakelt en het andere apparaat inschakelt. Er ontstaat een probleem door de langzame uitschakeling (of omgekeerd herstel) van de inwendige diode wanneer de andere MOSFET probeert in te schakelen. MOSFET-bodydiodes hebben over het algemeen een lange omgekeerde hersteltijd in vergelijking met de prestaties van de MOSFET zelf. Als de body diode van de ene MOSFET in geleiding is wanneer het andere apparaat wordt ingeschakeld, ontstaat een “kortsluiting” die vergelijkbaar is met de hierboven beschreven doorschietconditie. U kunt dit probleem oplossen door een Schottky-diode toe te voegen die in serie is geschakeld met de MOSFET-bron (voorkomt dat de MOSFET-lichaamsdiode ooit door de vrijloopstroom wordt voorgespannen) en een hogesnelheidsdiode (met snel herstel) die parallel is geschakeld met het MOSFET/Schottky-paar, zodat de vrijloopstroom de MOSFET en de Schottky volledig omzeilt. Dit zorgt ervoor dat de diode in het huis van de MOSFET nooit in geleiding wordt gedreven. De vrijloopstroom wordt afgehandeld door de snelhersteldiodes, die minder problemen geven bij doorschieten.

Extra gate drive

Als de gate van de MOSFET met een te hoge spanning wordt aangestuurd, kan de isolatie van de gate-oxide worden doorboord, waardoor de MOSFET wordt vernietigd. Zorg ervoor dat het gate drive signaal vrij is van smalle spanningspieken die de maximaal toelaatbare gate spanning zouden kunnen overschrijden.

Slow switching transitions

Er gaat weinig energie verloren tijdens de stabiele aan- en uit-toestanden, maar er gaat veel energie verloren tijdens de perioden van een overgang. Daarom is het wenselijk zo snel mogelijk tussen de toestanden te schakelen om de vermogensdissipatie tijdens het schakelen te minimaliseren. Aangezien de MOSFET-gate capacitief is, zijn er aanzienlijke stroompulsen nodig om de gate in enkele tientallen nanoseconden op te laden en te ontladen. Piek-gate stromen kunnen oplopen tot een ampère.

Nijdige oscillatie

MOSFET-ingangen hebben een relatief hoge impedantie, hetgeen tot stabiliteitsproblemen kan leiden. Onder bepaalde omstandigheden kunnen hoogspannings-MOSFET’s bij zeer hoge frequenties gaan oscilleren als gevolg van zwermachtige inductie en capaciteit in het omringende circuit. (Frequenties meestal in de lage MHz.) Er moet ook een gate-drive-circuit met lage impedantie worden gebruikt om te voorkomen dat stoorsignalen aan de gate van het apparaat worden gekoppeld.

Geleidende interferentie met regelaar

Snel schakelen van grote stromen kan spanningsdips en voorbijgaande pieken op de voedingsrails veroorzaken, waardoor de regelaar kan worden gestoord. Er moeten goede ontkoppelings- en sterpunt-aardingstechnieken worden gebruikt.

Schade door statische elektriciteit

MOSFET’s zijn zeer gevoelig voor statische elektriciteit. Antistatische voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen om beschadiging van de gate-oxide te voorkomen.