Free Press

Reguli de bază pentru selecția MOSFET-urilor/verificări

Valoarea nominală a tensiunii maxime de la drenaj la sursă (max Vds) determină tensiunea maximă pe care o puteți comuta.

Tensiunea de prag a porții determină diferența de tensiune pe care trebuie să o aplicați la poartă pentru a face ca mosfetul să conducă.

Tensiunea maximă de la poartă la sursă (max Vgs) este un factor critic care nu trebuie să fie depășit (chiar și pentru câțiva nS), altfel MOSFET-ul poate fi distrus. Vor crește vârfurile șinelor de alimentare? Dacă da, asigurați o protecție de vreun fel (de exemplu, supresor de tranzitori) sau selectați un dispozitiv cu o valoare nominală mai mare. La comutarea șinelor de înaltă tensiune (de exemplu, 24 V de la o logică de joasă tensiune), puteți îndeplini adesea această cerință folosind un divizor de potențial pentru a oferi mosfetului o tensiune de poartă peste 0 V.

Trebuie să folosiți un circuit integrat de comandă a mosfetului? Dacă mosfetul are un curent de comutație de poartă ridicat (de exemplu, MOSFET-uri de curent ridicat) sau va fi comutat rapid (pentru a se asigura că mosfetul funcționează eficient cu o disipare minimă de putere), atunci acest lucru poate fi necesar.

Verificați notele „Why MOSFETs Fail” (De ce eșuează MOSFET-urile) de mai jos

Note generale

MOSFET-urile îmbunătățite, atunci când sunt pornite, permit curent în ambele direcții cu un RDSON practic identic. Când sunt oprite, ele blochează curentul într-o singură direcție.

Datorită impedanței lor de intrare ridicate, MOSFET-urile sunt vulnerabile la deteriorarea prin descărcări electrostatice. Uneori, acestea au diode de protecție integrate sau zeneri.

Modelele MOSFET cu mod de îmbunătățire încorporează o diodă între pinii de sursă și de drenă.
Un MOSFET dublu îmbunătățit încorporează două diode catod la catod.

Un MOSFET are nevoie de curent de poartă doar în timpul frontului de comutare, pentru a încărca capacitatea GS. Acest curent de poartă poate fi ridicat.

Pentru a comuta 0V

Utilizați un MOSFET cu canal N cu sursa conectată la 0V (fie direct, fie prin intermediul unui rezistor de limitare a curentului) și sarcina conectată la drenă.

Când tensiunea de poartă depășește tensiunea de sursă cu cel puțin tensiunea de prag de poartă, MOSFET-ul conduce. Cu cât tensiunea este mai mare, cu atât Mosfetul poate conduce mai mult.

Mosfeturile cu canal N au rezistențe de pornire mai mici decât cele cu canal P, deci sunt preferabile dacă aveți posibilitatea de a alege pe ce parte să comutați.

MOSFET-urile cu canal N pot, de asemenea, să comute +V în anumite configurații, cu Drain fiind Vin și Source fiind comutat Vout.

Pentru a comuta +V cu un MOSFET cu canal P

Utilizați un MOSFET cu canal P cu Sursa conectată la +V (fie direct, fie prin intermediul unei rezistențe de limitare a curentului) și sarcina conectată la Drenă.

De obicei, pinul Sursă trebuie să fie mai pozitiv decât cel de Drenaj (cu toate acestea, acest lucru nu este adevărat atunci când se utilizează un Mosfet P pentru a asigura protecția împotriva polarității inverse, de exemplu).

Când tensiunea de poartă este mai mică decât (tensiunea de sursă – tensiunea de prag de poartă), MOSFET-ul conduce. Dacă tensiunea de poartă este mai mare decât aceasta, acesta nu conduce. Cu cât diferența de tensiune față de Sursă este mai mare, cu atât MOSFET-ul poate conduce mai mult.

MOSFET-urile cu canal P au rezistențe de pornire mai mari decât MOSFET-urile cu canal N, deci sunt adesea mai puțin preferabile.

MOSFET-ul cu canal P are un avantaj față de MOSFET-ul cu canal N pentru unele aplicații datorită simplității controlului pornit/oprit. Un mosfet cu canal N care comută +V necesită o șină de tensiune suplimentară pentru poartă; cel cu canal P nu are nevoie.

Pentru a comuta +V cu un MOSFET cu canal N

Utilizați un MOSFET cu canal N cu drenă conectată la +V și sarcina conectată la sursă.

Există totuși o capcană cu acest aranjament – mosfetul pornește pe baza atingerii pragului Vgs și tensiunea sursei în acest aranjament se schimbă între oprit (0V) și pornit (Vin). Acest lucru înseamnă că nu puteți comuta poarta la Vin, aveți nevoie de o altă linie de tensiune care să fie mai mare decât Vin cu cel puțin pragul Vgs al mosfetului și, de asemenea, să nu depășească specificația maximă Vgs.

Rezistența de poartă

Utilizarea unei rezistențe de valoare mică între driverul MOSFET și terminalul de poartă al MOSFET-ului amortizează orice oscilații de sonerie cauzate de inductanța de plumb și de capacitatea de poartă care, altfel, pot depăși tensiunea maximă permisă pe terminalul de poartă. De asemenea, aceasta încetinește viteza cu care MOSFET-ul se activează și se dezactivează. Acest lucru poate fi util în cazul în care diodele intrinseci din MOSFET nu se pornesc suficient de repede.

Dacă pilotați un MOSFET de la o linie săltăreață, posibil zgomotoasă (de exemplu, contacte de releu), ar trebui să folosiți o mică rezistență de poartă în serie în apropierea MOSFET-ului, pentru a suprima oscilația VHF. 22 ohmi este suficient, puteți folosi mai puțin.

Dacă viteza / întârzierea de propagare este critică, este posibil să trebuiască să încercați să evitați utilizarea unei rezistențe de poartă sau să mențineți valoarea acesteia scăzută. De exemplu, cu un semnal de 5V și un FDN335N, o rezistență de poartă de 1K poate adăuga în jur de 200-400nS întârziere de propagare (comutare întârziată de la poartă la drenă).

Pentru MOSFET-urile de curent mare, capacitatea canalului de poartă poate fi foarte mare și o tensiune de drenă care se schimbă rapid poate produce miliamperi de curent de poartă tranzitoriu. Acest lucru ar putea fi suficient pentru a suprasolicita și chiar deteriora cipurile delicate de driver CMOS. Existența unei rezistențe în serie este un compromis între viteză și protecție, valorile tipice fiind cuprinse între 100R și 10K. Chiar și fără sarcini inductive există un curent de poartă dinamic. De asemenea, MOSFET-urile sunt extrem de sensibile la daunele provocate de descărcările electrostatice și pot fi deteriorate ireversibil de un singur caz de rupere a porții. Din acest motiv, este o idee foarte bună să folosiți rezistențe de serie pentru poartă de 1K până la 10K. Acest lucru este deosebit de important dacă semnalul de poartă provine de la o altă placă de circuit.

Dacă un MOSFET poate fi lăsat flotant, atunci folosiți o rezistență de tragere în jos (100K până la 1M este în general în regulă) de la Poartă la Sursă.

Customerul de comandă al porții

Customerul de comandă al porții este adesea utilizat pentru MOSFET-uri de curent mare și atunci când se utilizează rate de comutare rapide datorită faptului că MOSFET-ul are nevoie de curenți scurți, dar mari, pentru a schimba starea. Intrările unui driver sunt de obicei la nivel logic. Adesea, MOSFET-urile au nevoie de o comandă de 1 – 2A pentru a obține o comutare eficientă la frecvențe de sute de kilohertzi. Această comandă este necesară în mod pulsatoriu pentru a încărca și descărca rapid capacitățile de poartă ale MOSFET-ului.

Paralelizarea MOSFET-urilor

MOSFET-urile pot fi plasate în paralel pentru a îmbunătăți capacitatea de tratare a curentului. Pur și simplu uniți bornele de poartă, sursă și drenaj. Orice număr de MOSFET-uri pot fi puse în paralel, dar rețineți că capacitatea de poartă se adaugă pe măsură ce puneți în paralel mai multe MOSFET-uri și, în cele din urmă, driverul MOSFET nu va putea să le conducă.

Utilizarea mosfetelor cu canal N pentru a comuta tensiuni pozitive

Da, se poate! Atâta timp cât specificația Vgs este respectată, un canal N va porni de obicei și va permite curentului să treacă de la sursă la drenaj (sursa mai pozitivă decât drenajul). Dioda de corp va lăsa curentul să curgă oricum, dar pornirea mosfetului îi permite să curgă complet.

Utilizarea diodei de corp

Puteți utiliza dioda de corp pentru a permite trecerea curentului printr-un mosfet, dar trebuie să fiți atenți și să știți ce faceți pentru a vă asigura că mosfetul nu este deteriorat prin această operațiune.

Mosfet True Switch / Comutator bidirecțional cu MOSFET-uri cu canal P

Utilizând acest aranjament spate în spate de mosfet-uri cu canal P, atunci când este pornit curentul va trece în ambele direcții. Când este oprit, ambele părți sunt izolate. Puteți utiliza orice mosfet tipic cu canal P.

Intrerupătorul cu tranzistor este necesar deoarece porțile trebuie să fie comutate de o ieșire cu drenaj deschis pentru a evita să existe un Vgs suficient de mare de la semnalul de pornire și oprire în raport cu șinele de alimentare conectate la drenurile care sunt comutate. Tranzistorul ar putea fi pierdut dintr-un circuit integrat cu drenaj deschis care poate tolera tensiunile de drenaj atunci când este oprit și este utilizat pentru a furniza semnalul.

Rețineți că acest aranjament este adecvat numai dacă tensiunea care este comutată este > Vgs pragul de comutare al mosfetului utilizat.

Dacă acest lucru nu poate fi garantat sau dacă este necesară o izolare optoizolantă, releele foto mosfet cu stare solidă sunt o soluție excelentă. Exemple:

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V nominal. Va comuta cu ușurință tensiuni joase, cum ar fi +3V3, fără nicio cădere de tensiune, alta decât cea cauzată de rezistența sa în stare de funcționare (adică fără căderea de tensiune cauzată de utilizarea unui optoizolator de ieșire cu tranzistor).

Mosfet True Switch / Comutator bidirecțional cu MOSFET-uri cu canal N

Un exemplu:

De ce eșuează MOSFET-urile

Primirea insuficientă a porții

Dispozitivele MOSFET sunt capabile să comute cantități mari de putere doar pentru că sunt proiectate să disipeze o putere minimă atunci când sunt pornite. Trebuie să vă asigurați că MOSFET-ul este pornit puternic pentru a minimiza disiparea în timpul conducției. Dacă dispozitivul nu este pornit complet, atunci dispozitivul va avea o rezistență ridicată în timpul conducției și va disipa o putere considerabilă sub formă de căldură.

Supratensiune

Depășiți tensiunea nominală a unui MOSFET pentru doar câțiva nS și îl puteți distruge. Selectați dispozitivele MOSFET în mod prudent pentru nivelurile de tensiune anticipate și asigurați-vă că permiteți sau vă ocupați de suprimarea oricăror vârfuri de tensiune sau de inelare.

Supraîncărcare cu curent de vârf

Curenții de supraîncărcare pe o durată scurtă pot provoca deteriorarea progresivă a unui MOSFET, adesea cu o creștere de temperatură puțin vizibilă înainte de defecțiune. MOSFET-urile menționează adesea valori nominale ridicate ale curentului de vârf, dar acestea sunt de obicei numai pentru curenți de vârf de câteva 100 uS. Dacă comutați o sarcină inductivă, asigurați-vă că suprasolicitați MOSFET-ul pentru a face față curenților de vârf.

Supraîncărcare prelungită a curentului

Dacă un MOSFET trece un curent mare, atunci rezistența sa în stare de funcționare îl va face să se încălzească. În cazul în care încălzirea este slabă, atunci MOSFET-ul poate fi distrus de temperatura excesivă. O soluție în acest sens poate fi punerea în paralel a mai multor MOSFET-uri pentru a împărți între ele curenții de sarcină mari.

Configurație punte H sau punte completă Conducție încrucișată (Shoot-through / Cross Conduction)

Când se utilizează MOSFET-uri P și N între șine de tensiune pentru a furniza o tensiune de ieșire H sau L, dacă semnalele de control către MOSFET-uri se suprapun, atunci acestea vor scurtcircuita efectiv alimentarea și acest lucru este cunoscut sub numele de o stare de „shoot-through”. Atunci când are loc, orice condensator de decuplare a alimentării este descărcat rapid prin ambele dispozitive de fiecare dată când are loc o tranziție de comutare, rezultând impulsuri de curent foarte scurte, dar mari.

Pentru a evita acest lucru trebuie să permiteți un timp mort între tranzițiile de comutare, timp în care niciun MOSFET nu este pornit.

Nu există un traseu de curent de rotire liberă

La comutarea sarcinilor inductive trebuie să existe un traseu de rotire liberă a forței electromagnetice din spate atunci când MOSFET-ul se oprește. MOSFET-urile cu mod de îmbunătățire încorporează o diodă care asigură această protecție.

Recuperare inversă lentă a diodei de corp a MOSFET-ului

Circuitele rezonante de Q ridicat sunt capabile să stocheze o energie considerabilă în inductanța și capacitatea lor proprie. În anumite condiții de reglare, acest lucru face ca curentul să se „rostogolească liber” prin diodele de corp interne ale dispozitivelor MOSFET pe măsură ce un MOSFET se oprește și celălalt dispozitiv se activează. Apare o problemă din cauza stingerii lente (sau a recuperării inverse) a diodei interne de corp atunci când MOSFET-ul opus încearcă să se pornească. Diodele de corp ale MOSFET-urilor au, în general, un timp lung de recuperare inversă în comparație cu performanța MOSFET-ului în sine. Dacă dioda de corp a unui MOSFET este conducătoare atunci când dispozitivul opus este pornit, atunci se produce un „scurtcircuit” similar cu starea de „shoot-through” descrisă mai sus. Puteți rezolva problema sa adăugând o diodă Schottky conectată în serie cu sursa MOSFET-ului (împiedică dioda de corp a MOSFET-ului să fie vreodată polarizată în sens direct de curentul de rulare liberă) și o diodă de mare viteză (recuperare rapidă) conectată în paralel cu perechea MOSFET/Schottky, astfel încât curentul de rulare liberă să ocolească complet MOSFET-ul și Schottky. Acest lucru asigură faptul că dioda de corp a MOSFET-ului nu este niciodată antrenată în conducție. Curentul de rotire liberă este gestionat de diodele de recuperare rapidă, care prezintă mai puține probleme de trecere.

Conducerea excesivă a porții

În cazul în care poarta MOSFET-ului este condusă cu o tensiune prea mare, izolația oxidului porții poate fi perforată, distrugând efectiv MOSFET-ul. Asigurați-vă că semnalul de acționare a porții este lipsit de orice vârfuri de tensiune înguste care ar putea depăși tensiunea maximă admisibilă a porții.

Tranziții de comutare lentă

Se disipează puțină energie în timpul stărilor stabile de pornire și oprire, dar se disipează o energie considerabilă în momentele de tranziție. Prin urmare, este de dorit să se treacă de la o stare la alta cât mai repede posibil pentru a minimiza disiparea de energie în timpul comutării. Deoarece poarta MOSFET pare capacitivă, este nevoie de impulsuri de curent considerabile pentru a încărca și descărca poarta în câteva zeci de nano-secunde. Curenții de vârf ai porții pot fi de până la un amper.

Oscilații bruște

Intrările MOSFET sunt de impedanță relativ mare, ceea ce poate duce la probleme de stabilitate. În anumite condiții, dispozitivele MOSFET de înaltă tensiune pot oscila la frecvențe foarte înalte din cauza inductanței și capacității de dispersie din circuitul înconjurător. (Frecvențe de obicei de ordinul micilor MHz.) De asemenea, trebuie utilizat un circuit de comandă a porții de impedanță mică pentru a preveni cuplarea semnalelor rătăcite la poarta dispozitivului.

Interferențe conduse cu controlerul

Comutarea rapidă a curenților mari poate provoca căderi de tensiune și vârfuri tranzitorii pe șinele de alimentare care pot provoca interferențe cu circuitul de control. Trebuie utilizate tehnici bune de decuplare și tehnici de împământare cu punct stea.

Deteriorarea electricității statice

MOSFET-urile sunt foarte sensibile la electricitate statică. Trebuie utilizate precauții de manipulare antistatică pentru a preveni deteriorarea oxidului de poartă.