Коли і чому виходять з ладу MOSFET?

  1. Мінімальна потужність управління затвором
  2. перехідні стани

Високі температури і інші параметри експлуатаційної середовища, що перевищують межі безпечної роботи, можуть привести до виходу з ладу польових транзисторів, що використовуються в комутаційних ланцюгах.

Сучасні польові транзистори MOSFET (польовий транзистор структури метал-оксид-напівпровідник) є основними компонентами в перетворювачах потужності, комутаторах електричних ланцюгів, в електроприводах і імпульсних джерелах живлення (рис. 1). MOSFET відрізняються високим вхідним опором затвора, а струм, що протікає через канал між витоком і стоком, управляється напругою на затворі. Однак при відсутності належного захисту високі значення вхідного імпедансу і коефіцієнта посилення можуть призвести до пошкодження транзистора.

Розглянемо кілька базових принципів, що дозволяють уникнути пошкодження MOSFET. Очевидно, напруги між затвором і витоком, стоком і витоком не повинні перевищувати граничні значення. Те ж стосується і протікає струму, ID. Існує також обмеження по потужності з урахуванням максимальної температури переходу. Базові значення для верхньої межі за цими параметрами наведено на графіку в специфікації транзистора як області безпечної роботи (ОБР - англ. SOA). Застосовуються й інші теплові обмеження. Наприклад, графік ОБР передбачає температуру навколишнього середовища 25 ° C при певній температурі переходу (як правило, нижче 150 ° С). Але є різні умови, які можуть викликати високі перепади температур, здатні привести до фізичного руйнування кристала MOSFET.

Але є різні умови, які можуть викликати високі перепади температур, здатні привести до фізичного руйнування кристала MOSFET

Рис.1. Нове покоління MOSFET ON Semiconductor

Нове покоління MOSFET володіє зниженим опором каналу «стік-витік» RDS (у відкритому стані) для мінімізації провідності і оптимізації робочого режиму. Наприклад, ON Semiconductor випускає транзистори NTMFS5C404NLT , NTMFS5C410NLT і NTMFS5C442NLT , Що мають максимальне значення RDS (у включеному стані) 0,74, 0,9 і 2,8 мОм, відповідно. Вони доповнюються комплементарними приладами NTMFS5C604NL , NTMFS5C612N і NTMFS5C646NL з номінальними напругами пробою 60 В. Для полегшення температурного режиму конструкції транзистори з граничним напруженням в 40 В і 60 В розраховані на роботу при температурі переходу до 175 ° C.

У зв'язку з цим слід звернути увагу, що тепловий опір транзистора - середнє значення, яке застосовується тоді, коли весь кристал має однакову температуру. Але MOSFET, призначені для імпульсних блоків живлення, можуть мати широкий розкид по температурі в різних зонах кристала. Транзистори, оптимізовані для роботи в режимі включення / вимикання, не так добре працюють в лінійній області робочої характеристики.

Типовий режим «відмови» MOSFET пов'язаний з коротким замиканням між витоком і стоком. У цьому випадку тільки опір джерела живлення обмежує піковий струм. Коротке замикання є причиною оплавлення кристала і металу. Наприклад, досить висока напруга між затвором і витоком (VGS) може зруйнувати оксидний шар затвора MOSFET. Розраховані на 12 В затвори швидше за все зруйнуються приблизно при 15 В. Затвори, що мають запас до 20 В, можуть вийти з ладу при напрузі близько 25 В.

В кінцевому підсумку перевищення номінальної напруги транзистора протягом декількох наносекунд може привести до руйнування MOSFET. Виробники рекомендують вибирати транзистор з запасом по очікуваним рівнями напруги і за умови придушення будь-яких стрибків і імпульсів напруги.

Мінімальна потужність управління затвором

MOSFET спроектовані з розрахунком на те, що у відкритому стані виділяється мінімальна розсіює потужність: для зменшення потужності, що розсіюється транзистор повинен бути повністю відкритий. В іншому випадку підвищений опір MOSFET призведе до виділення значної потужності у вигляді тепла.

По суті, MOSFET перегрівається через дії високого струму; поганий тепловідвід може бути причиною руйнування MOSFET від надмірної температури. Одним із способів обмеження надмірного струму є паралельне з'єднання декількох транзисторів, коли струм навантаження ділиться між ними.

Одним із способів обмеження надмірного струму є паралельне з'єднання декількох транзисторів, коли струм навантаження ділиться між ними

Рис.2. Графік залежності потужності, що розсіюється MOSFET від температури

Графіки залежності розсіюваною потужності транзистора від температури дозволяють судити про необхідному теплоотводе і кріпленні - як в прикладі з представленим вище графіком ON Semiconductor для CPH3348 (Рис. 2).

Багато p- і n-канальні MOSFET використовуються в схемах з топологією Н і L мостів, включених між шинами напруги харчування. В цьому випадку, якщо сигнали на затворах транзисторів частково перекриваються, обидва транзистора будуть короткочасно знаходитися у відкритому стані, фактично з'єднує безпосередньо замикаючи джерело живлення. Коли це відбувається, все конденсатори ланцюгів розв'язки з харчування швидко розряджаються через наскрізний канал з двох транзисторів (під час їх перехідних станів при перемиканні), викликаючи короткі, але великі імпульси струму.

Щоб запобігти одночасне відкритий стан транзисторів, необхідно забезпечити коротку паузу між їх перемиканнями з відкритого стану в закрите і навпаки.

Рис.3. Графік типовою ОБР для MOSFET

На рис. 3 представлений типовий графік ОБР для MOSFET CPH3348 компанії ON Semiconductor. Графік ОБР передбачає температуру навколишнього середовища 25 ° С при температурі переходу нижче 150 ° С.

Перевищення струму навіть на короткий час може привести до прогресуючого пошкодження MOSFET, часто з малопомітним підвищенням температури перед відмовою транзистора. Багато транзистори, які мають високі значення допустимого пікового струму, як правило, розраховані на пікові струми тривалістю приблизно до 300 мкс. Це особливо важливо в разі перевантаження MOSFET по піковому струму при перемиканні індуктивних навантажень.

При комутації індуктивних навантажень повинна бути передбачена ланцюг погашення зворотної ЕРС під час вимикання транзистора. При різкому відключенні напруги живлення на індуктивному навантаженні виникає сплеск зворотної напруги. На цей випадок у деяких MOSFET є захисний діод.

Котушки індуктивності і ємності в високочастотних резонансних контурах здатні накопичувати значну кількість енергії. При певних умовах ця високопотенційний енергія від сплесків зворотної напруги викликає поява струму через вбудовані діоди транзисторів MOSFET, коли один транзистор вимикається, а інший включається. (Внутрішній вбудований діод, підключений між стоком і витоком, формується в р-n переході «корпус-стік». В n-канальних MOSFET анод вбудованого діода підключається до стоку. Полярність включення стає зворотним в p-канальних транзисторах.) Проблема може виникнути з -за повільного виключення (зворотного відновлення) вбудованого діода, коли протилежний MOSFET намагається відкритися.

Вбудовані діоди MOSFET мають тривалий час відновлення замикаючого шару в порівнянні з робочими циклами самих транзисторів. Якщо під час роботи комплементарного транзистора вбудований діод на одному MOSFET виявиться в провідному стані, то виникає наскрізне замикання джерела живлення. Цю проблему можна вирішити за допомогою діода Шоттки і діода з швидко відновлюваних зворотним опором. Діод Шотткі підключається послідовно з джерелом MOSFET і запобігає протіканню струму прямого зміщення через вбудований діод MOSFET при сплесках напруги на індуктивному навантаженні. Високошвидкісний (швидке відновлення) діод підключається паралельно з парою MOSFET / діод Шотткі, що дозволяє пропустити струм, що виникає при сплесках напруги на індуктивному навантаженні, в обхід MOSFET і діода Шотткі. Це гарантує, що вбудований в MOSFET діод ніколи не буде знаходитися в провідному стані.

Це гарантує, що вбудований в MOSFET діод ніколи не буде знаходитися в провідному стані

Мал. 4. Залежність теплового опору від тривалості відкритого стану транзистора

На тепловий опір MOSFET може істотно впливати тривалість періоду включеного стану. На рис. 4 наведено конкретний приклад графіка для транзистора ON Semiconductor CPH3348.

перехідні стани

Транзистори MOSFET розсіюють незначну енергію, коли знаходяться у включеному або вимкненому стані, але під час перехідного процесу між цими станами виділяється енергія значно зростає. Таким чином, щоб звести до мінімуму рассеиваемую потужність, бажано перемикатися якомога швидше. Так як затвор MOSFET є ємністю, він вимагає значних імпульсів струму заряду і розряду протягом декількох десятків наносекунд. Пікові струми затвора можуть досягати декількох ампер.

Високий вхідний імпеданс MOSFET може бути причиною нестабільності. При певних умовах високовольтні транзистори можуть стати генераторами високих частот через паразитних індуктивностей і ємностей в оточуючих ланцюгах (частоти зазвичай в нижній частині мегагерцового діапазону). Виробники рекомендують використовувати низькоомні ланцюга управління затворами MOSFET, щоб запобігти появі в них паразитних сигналів.

© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. by nucleart.net 2008