Free Press

Podstawowe zasady wyboru MOSFET-ów / sprawdzanie

Maksymalne napięcie znamionowe między drenem a źródłem (max Vds) określa maksymalne napięcie, które można przełączyć.

Napięcie progowe bramki określa różnicę napięć, jaką należy przyłożyć do bramki, aby mosfet zaczął przewodzić.

Maksymalne napięcie od bramki do źródła (max Vgs) jest krytycznym czynnikiem, który nie może być przekroczony (nawet o kilka nS) lub MOSFET może zostać zniszczony. Czy na szynach zasilania będą występować skoki napięcia? Jeśli tak, to należy zapewnić jakieś zabezpieczenie (np. tłumik transjentów) lub wybrać urządzenie o wyższej wartości znamionowej. Przy przełączaniu szyn wysokonapięciowych (np. 24V z logiki niskonapięciowej) często można spełnić ten wymóg używając dzielnika potencjału, aby zapewnić mosfetowi napięcie bramki powyżej 0V.

Czy musisz używać układu scalonego sterującego mosfetem? Jeśli mosfet ma wysoki prąd przełączania bramki (np. MOSFETy wysokoprądowe) lub będzie przełączany szybko (aby zapewnić, że mosfet działa wydajnie z minimalnym rozproszeniem mocy) to może to być konieczne.

Sprawdź uwagi 'Why MOSFETs Fail’ poniżej

General Notes

Wzmocnione MOSFETy, gdy są włączone, pozwalają na przepływ prądu w obu kierunkach z zasadniczo identycznym RDSON. Gdy są wyłączone, blokują prąd w jednym kierunku.

Z powodu ich wysokiej impedancji wejściowej MOSFET’y są podatne na uszkodzenia przez wyładowania elektrostatyczne. Czasami mają wbudowane diody zabezpieczające lub zenery.

Mosfety pracujące w trybie wzmocnienia zawierają diodę pomiędzy źródłem a drenem.
Podwójnie wzmocniony mosfet zawiera dwie diody katoda do katody.

MOSFET wymaga tylko prądu bramki podczas krawędzi przełączania, aby naładować pojemność GS. Ten prąd bramki może być duży.

Do przełączania 0V

Użyj N-kanałowego MOSFET-a ze źródłem podłączonym do 0V (bezpośrednio lub przez rezystor ograniczający prąd) i obciążeniem podłączonym do drenu.

Kiedy napięcie bramki przekracza napięcie źródła o co najmniej wartość napięcia progowego bramki, MOSFET przewodzi. Im wyższe napięcie, tym więcej Mosfet może przewodzić.

N-kanałowe MOSFETY mają niższe rezystancje włączenia niż P-kanałowe MOSFETY, więc są preferowane, jeśli masz wybór, którą stroną przełączać.

N-kanałowe MOSFETy mogą również przełączać +V w pewnych konfiguracjach, z drenem będącym Vin i źródłem będącym przełączanym Vout.

Aby przełączyć +V za pomocą P-kanałowego MOSFET-u

Użyj P-kanałowego MOSFET-u ze źródłem podłączonym do +V (bezpośrednio lub przez rezystor ograniczający prąd) i obciążeniem podłączonym do drenu.

Zazwyczaj pin źródła musi być bardziej dodatni niż pin drenu (jednak nie jest to prawdą, gdy używamy P MOSFET do zapewnienia ochrony przed odwrotną polaryzacją, na przykład).

Gdy napięcie bramki jest niższe niż (napięcie źródła – napięcie progowe bramki) MOSFET przewodzi. Jeśli napięcie bramki jest wyższe od tej wartości, MOSFET nie przewodzi. Im większa różnica napięć od źródła, tym bardziej MOSFET może przewodzić.

P-kanałowe MOSFETy mają wyższe rezystancje włączania niż N-kanałowe MOSFETy, więc często są mniej preferowane.

P-kanałowy MOSFET ma przewagę nad N-kanałowym MOSFET-em w niektórych zastosowaniach z powodu prostoty sterowania włączaniem/wyłączaniem. MOSFET N-kanałowy przełączający +V wymaga dodatkowej szyny napięcia dla bramki; P-kanałowy nie.

To Switch +V With A N-Channel MOSFET

Use a N-Channel MOSFET with Drain connected to +V and the load connected to Source.

Jest jednak pewien haczyk w tym układzie – mosfet włącza się w oparciu o osiągnięcie progu Vgs, a napięcie źródła w tym układzie zmienia się pomiędzy wyłączonym (0V) i włączonym (Vin). To oznacza, że nie możesz przełączyć bramki na Vin, potrzebujesz innej szyny napięciowej, która jest wyższa od Vin przynajmniej o próg Vgs mosfetów, a także nie przekracza maksymalnej specyfikacji Vgs.

Rezystor bramkowy

Użycie rezystora o niskiej wartości pomiędzy sterownikiem MOSFET a końcówką bramki MOSFET tłumi wszelkie oscylacje dzwonienia spowodowane przez indukcyjność ołowiu i pojemność bramki, które w przeciwnym razie mogą przekroczyć maksymalne dopuszczalne napięcie na końcówce bramki. Spowalnia to również szybkość, z jaką MOSFET włącza się i wyłącza. Może to być przydatne, jeśli wewnętrzne diody w MOSFET nie włączają się wystarczająco szybko.

Jeżeli zasilasz MOSFET z niestabilnej, prawdopodobnie hałaśliwej linii (na przykład styki przekaźnika), powinieneś użyć małego szeregowego rezystora bramkowego blisko MOSFET, aby stłumić oscylacje VHF. 22 omy to wystarczająco dużo, możesz użyć mniej.

Jeśli prędkość / opóźnienie propagacji jest krytyczne możesz spróbować uniknąć użycia rezystora bramkowego lub utrzymać jego wartość na niskim poziomie. Na przykład przy sygnale 5V i FDN335N, rezystor bramkowy 1K może dodać około 200-400nS opóźnienia propagacji (opóźnione przełączanie z bramki na dren).

W przypadku wysokoprądowych MOSFET-ów pojemność kanału bramki może być bardzo duża i szybko zmieniające się napięcie drenu może wytworzyć miliampery przejściowego prądu bramki. Może to być wystarczające do przesterowania, a nawet uszkodzenia delikatnych układów sterownika CMOS. Zastosowanie rezystora szeregowego jest kompromisem pomiędzy szybkością a ochroną, przy czym typowe są wartości od 100R do 10K. Nawet bez obciążenia indukcyjnego istnieje dynamiczny prąd bramki. Ponadto MOSFETy są niezwykle podatne na uszkodzenia spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi i mogą zostać nieodwracalnie uszkodzone przez pojedynczy przypadek uszkodzenia bramki. Z tego powodu bardzo dobrym pomysłem jest stosowanie rezystorów szeregowych bramki o wartości od 1K do 10K. Jest to szczególnie ważne, jeśli sygnał Gate pochodzi z innej płytki drukowanej.

Jeżeli MOSFET może być pozostawiony jako pływający, użyj rezystora podciągającego (100K do 1M jest ogólnie ok) od bramki do źródła.

Sterowniki IC bramek

Sterowniki IC są często używane dla wysokoprądowych MOSFET-ów i przy szybkim przełączaniu, ponieważ MOSFET potrzebuje krótkich, ale wysokich prądów do zmiany stanu. Wejścia sterowników są zazwyczaj na poziomie logicznym. Często MOSFETy wymagają napędu 1 – 2A, aby osiągnąć wydajne przełączanie przy częstotliwościach rzędu setek kiloherców. Napęd ten jest wymagany w sposób impulsowy, aby szybko naładować i rozładować pojemności bramki MOSFET.

Paralelizacja MOSFET-ów

MOSFET-y mogą być umieszczone równolegle w celu poprawy zdolności obsługi prądu. Wystarczy połączyć ze sobą zaciski Gate, Source i Drain. Można łączyć równolegle dowolną liczbę MOSFET-ów, ale należy pamiętać, że pojemność bramek zwiększa się w miarę łączenia kolejnych MOSFET-ów i w końcu sterownik MOSFET-u nie będzie w stanie ich wysterować.

Używanie N-kanałowych tranzystorów MOSFET do przełączania dodatnich napięć

Tak możesz! Tak długo jak specyfikacja Vgs jest spełniona, kanał N zwykle się włącza i pozwala na przepływ prądu od źródła do drenu (źródło bardziej dodatnie niż dren). Dioda w korpusie i tak pozwoli na przepływ prądu, ale włączenie mosfetu pozwoli na jego pełny przepływ.

Używanie diody korpusu

Możesz użyć diody korpusu, aby pozwolić na przepływ prądu przez mosfet, ale musisz być ostrożny i wiedzieć co robisz, aby upewnić się, że mosfet nie jest uszkodzony.

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

Używając tego układu back to back mosfetów P Channel, kiedy włączony prąd będzie płynął w obu kierunkach. Po wyłączeniu obie strony są odizolowane. Możesz użyć dowolnego typowego mosfetu z kanałem P.

Przełącznik tranzystorowy jest potrzebny, ponieważ bramki muszą być przełączane przez wyjście z otwartym drenem, aby nie było wystarczająco dużego Vgs z sygnału on off w stosunku do szyn zasilania podłączonych do przełączanych drenów. Tranzystor może być utracony z otwartym drenem IC, który może tolerować napięcia Drain, gdy wyłączony jest używany do zapewnienia sygnału.

Uwaga, że ten układ jest odpowiedni tylko wtedy, gdy przełączane napięcie jest > Vgs próg przełączania mosfet używany.

Gdy nie można tego zagwarantować lub gdy potrzebna jest izolacja opto, świetnym rozwiązaniem są przekaźniki półprzewodnikowe z foto mosfetem. Przykłady:

Avago ASSR-1218 – 200mA, napięcie znamionowe 60V. Z powodzeniem przełącza niskie napięcia jak +3V3 bez spadku napięcia spowodowanego przez rezystancję w stanie włączonym (tj. bez spadku napięcia spowodowanego użyciem tranzystorowego optoizolatora wyjściowego).

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

Przykład:

Why MOSFETs Fail

Insufficient gate drive

Urządzenia MOSFET są zdolne do przełączania dużych ilości mocy tylko dlatego, że są zaprojektowane do rozpraszania minimalnej mocy, gdy są włączone. Musisz upewnić się, że MOSFET jest włączony mocno, aby zminimalizować rozpraszanie podczas przewodzenia. Jeśli urządzenie nie jest w pełni włączone, będzie miało wysoką rezystancję podczas przewodzenia i będzie rozpraszać znaczną moc w postaci ciepła.

Przekroczenie napięcia

Przekroczenie napięcia znamionowego MOSFET-ów o zaledwie kilka nS może doprowadzić do jego zniszczenia. Wybierz urządzenia MOSFET konserwatywnie dla przewidywanych poziomów napięcia i upewnij się, że umożliwiasz lub zajmujesz się tłumieniem wszelkich skoków napięcia lub dzwonienia.

Przeciążenie prądem szczytowym

Przeciążenie prądem o krótkim czasie trwania może spowodować stopniowe uszkodzenie MOSFETa, często przy niewielkim zauważalnym wzroście temperatury przed uszkodzeniem. MOSFETY często podają wysokie wartości prądu szczytowego, ale są one typowe tylko dla prądów szczytowych rzędu kilku 100 uS. Jeśli przełączasz obciążenie indukcyjne, upewnij się, że przewartościowałeś MOSFET, aby poradzić sobie z prądami szczytowymi.

Przedłużone przeciążenie prądowe

Jeśli MOSFET przepuszcza duży prąd, jego rezystancja w stanie włączonym spowoduje jego nagrzewanie się. Jeżeli izolacja termiczna jest słaba, MOSFET może zostać zniszczony przez nadmierną temperaturę. Rozwiązaniem tego problemu może być równoległe połączenie wielu MOSFET-ów, aby dzielić między nimi wysokie prądy obciążenia.

Konfiguracja H lub pełnego mostka Prześwit / przewodzenie krzyżowe

Gdy używa się MOSFET-ów P i N pomiędzy szynami napięcia w celu zapewnienia napięcia wyjściowego H lub L, jeśli sygnały sterujące MOSFET-ów nakładają się na siebie, wówczas efektywnie zwrą one zasilanie i jest to znane jako stan prześwitu. Kiedy to nastąpi, kondensatory odsprzęgające zasilanie są rozładowywane gwałtownie przez oba urządzenia przy każdym przejściu przełączania, co powoduje bardzo krótkie, ale duże impulsy prądowe.

Aby tego uniknąć, musisz dopuścić martwy czas pomiędzy przejściami przełączania, podczas którego żaden z MOSFET-ów nie jest włączony.

Brak ścieżki prądu wolnego

Przy przełączaniu obciążeń indukcyjnych musi istnieć ścieżka dla wstecznego EMF do wolnego koła, gdy MOSFET się wyłączy. MOSFETy trybu zwiększonego zawierają diodę, która zapewnia taką ochronę.

Slow reverse recovery of MOSFET body diode

Obwody rezonansowe o wysokiej Q są zdolne do przechowywania znacznej energii w swojej indukcyjności i pojemności własnej. W pewnych warunkach strojenia, powoduje to „swobodne kołysanie się” prądu przez wewnętrzne diody MOSFET, gdy jeden MOSFET wyłącza się, a drugi włącza. Problem pojawia się z powodu powolnego wyłączania (lub odwrotnej regeneracji) wewnętrznej diody korpusu, gdy przeciwny MOSFET próbuje się włączyć. Diody MOSFET mają zazwyczaj długi czas powrotu do stanu normalnego w porównaniu do wydajności samego MOSFETa. Jeśli dioda w korpusie jednego MOSFETa przewodzi, gdy przeciwny MOSFET jest włączony, wtedy powstaje „zwarcie” podobne do opisanego powyżej stanu shoot-through. Można rozwiązać ten problem dodając diodę Schottky’ego połączoną szeregowo ze źródłem MOSFETa (zapobiega to przewodzeniu diody korpusu MOSFETa przez prąd pełzający) oraz szybką diodę podłączoną równolegle do pary MOSFET/Schottky, tak aby prąd pełzający całkowicie omijał MOSFET i Schottky’ego. Gwarantuje to, że dioda MOSFET nigdy nie zostanie wprowadzona w stan przewodzenia. Prąd swobodnego koła jest obsługiwany przez diody szybkiego odzyskiwania, które stanowią mniejszy problem z przelotem.

Nadmierne wysterowanie bramki

Jeśli bramka MOSFET jest wysterowana zbyt wysokim napięciem, izolacja tlenku bramki może zostać przebita, skutecznie niszcząc MOSFET. Upewnij się, że sygnał napędu bramki jest wolny od wąskich skoków napięcia, które mogłyby przekroczyć maksymalne dopuszczalne napięcie bramki.

Powolne przejścia przełączania

Mało energii jest rozpraszane podczas stałych stanów włączania i wyłączania, ale znaczna energia jest rozpraszana podczas okresów przejściowych. Dlatego pożądane jest przełączanie między stanami tak szybko, jak to możliwe, aby zminimalizować rozpraszanie mocy podczas przełączania. Ponieważ bramka MOSFET ma charakter pojemnościowy, wymaga znacznych impulsów prądowych, aby naładować i rozładować bramkę w ciągu kilkudziesięciu nano-sekund. Szczytowe prądy bramki mogą wynosić nawet jeden amper.

Spurious oscillation

Wejścia MOSFET mają stosunkowo wysoką impedancję, co może prowadzić do problemów ze stabilnością. W pewnych warunkach wysokonapięciowe urządzenia MOSFET mogą oscylować przy bardzo wysokich częstotliwościach z powodu indukcyjności błądzącej i pojemności w otaczającym je obwodzie. (Częstotliwości zwykle w niskich MHz.) Niska impedancja obwodu bramka-napęd powinna być również używana, aby zapobiec sprzężeniu sygnałów błądzących z bramką urządzenia.

Konflikt ze sterownikiem

Szybkie przełączanie dużych prądów może powodować spadki napięcia i przejściowe skoki na szynach zasilających, które mogą zakłócać pracę obwodów sterujących. Należy stosować dobre techniki odsprzęgania i uziemiania punktu gwiazdowego.

Uszkodzenia spowodowane elektrycznością statyczną

MOSFET-y są bardzo wrażliwe na elektryczność statyczną. Należy stosować środki ostrożności związane z obsługą antystatyczną, aby zapobiec uszkodzeniu tlenku bramki.