MOSFET을 보호하는 방법 – 기본 설명

이 게시물에서 우리는 올바른 PCB 레이아웃과 관련된 몇 가지 기본 지침을 따르고 이러한 민감한 장치를 신중하게 수동으로 처리하여 전자 회로에서 MOSFET을 보호하고 MOSFET 연소를 방지하는 방법을 포괄적으로 배웁니다.

소개

모든 것을 올바르게 연결 한 후에도 회로의 MOSFET이 뜨거워지고 몇 분 내에 날아가는 것을 발견합니다. 이것은 MOSFET 기반 회로, 특히 고주파수를 포함하는 회로를 설계하고 최적화하는 동안 대부분의 새롭고 경험 많은 애호가들이 직면하는 매우 일반적인 문제입니다.

분명히 주어진 세부 사항에 따라 모든 부품을 올바르게 연결하는 것이 다른 문제를 가정하기 전에 먼저 확인하고 확인해야하는 주요 사항입니다. 기본 사항이 절대적으로 올바르게 설정되지 않으면 회로의 다른 숨겨진 버그를 추적하는 것은 의미가 없기 때문입니다. .

기본 Mosfet 보호 응용 프로그램은 특히 수 kHz 정도의 고주파수를 포함하는 회로에서 중요합니다. 이는 고주파 애플리케이션이 장치의 빠른 (ns 이내) 켜기 및 끄기를 필요로하기 때문에 관련 스위칭과 직접 또는 간접적으로 관련된 모든 기준을 효율적으로 구현해야하기 때문입니다.

따라서 MOSFET의 부적절하거나 비효율적 인 전환을 유발하는 주요 장애는 무엇입니까? 다음 사항을 통해 MOSFET을 보호하는 방법을 포괄적으로 배워 보겠습니다.

Stray Inductance 제거 :

질문에서 가장 일반적이고 주요한 버그는 회로 트랙 내에 숨겨져있을 수있는 표유 인덕턴스입니다. 스위칭 주파수와 전류가 높을 때 PCB 트랙 인 연결 경로가 약간만 불필요하게 증가해도 상호 연결된 인덕턴스가 발생하여 비효율적 인 전도, 과도 및 스파이크로 인해 MOSFET 동작에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이 문제를 해결하려면 트랙을 더 넓게 유지하고 장치를 가능한 한 서로 가깝게 유지하고 각 MOSFET을 구동하는 데 사용되는 드라이버 IC에 가깝게 유지하는 것이 좋습니다.

그렇기 때문에 SMD가 선호되고 구성 요소 전체에서 교차 인덕턴스를 제거하는 가장 좋은 방법이며 양면 PCB를 사용하면 구성 요소 전체에 걸쳐 짧은 '인쇄 관통 구멍'연결로 인해 문제를 제어하는 ​​데 도움이됩니다.

PCB에 리드를 가능한 한 깊게 삽입하여 MOSFET의 스탠딩 높이를 최소화해야합니다. SMD를 사용하는 것이 아마도 최선의 선택 일 것입니다.

우리 모두는 MOSFET이 장치를 작동시키기 위해 충전 및 방전이 필요한 내장 커패시터를 포함한다는 것을 알고 있습니다.

기본적으로 이러한 커패시터는 게이트 / 소스 및 게이트 / 드레인을 통해 연결됩니다. Mosfets는 효율과 직접 관련이 있기 때문에 정전 용량의 충전 및 방전을 지연 '좋아하지 않습니다'.

MOSFET을 로직 소스 출력에 직접 연결하면 로직 소스가 경로에 장애물이 없기 때문에 커패시턴스를 Vcc에서 0으로 빠르게 전환하고 싱크 할 수 있기 때문에이 문제를 해결할 수 있습니다.

그러나 위의 고려 사항을 구현하면 드레인 및 게이트에서 위험한 진폭을 가진 과도 및 음의 스파이크가 생성되어 드레인 / 소스를 가로 지르는 갑작스런 고전류 스위칭으로 인해 MOSFET이 생성 된 스파이크에 취약해질 수 있습니다.

이로 인해 MOSFET 섹션 사이의 실리콘 분리가 쉽게 깨져 장치 내부에 단락이 발생하여 영구적으로 손상 될 수 있습니다.

게이트 저항의 중요성 :

위의 문제를 해결하려면 로직 입력 및 MOSFET 게이트와 직렬로 낮은 값의 저항을 사용하는 것이 좋습니다.

상대적으로 낮은 주파수 (50Hz ~ 1kHz)에서는 값이 100 ~ 470ohm 사이에있을 수 있지만 이보다 높은 주파수의 경우 값은 100ohm 이내 일 수 있으며 훨씬 높은 주파수 (10kHz 이상)의 경우 50ohm을 초과해서는 안됩니다. .

위의 고려 사항은 내부 커패시터의 지수 충전 또는 점진적 충전을 허용하여 드레인 / 게이트 핀에서 음의 스파이크 가능성을 줄이거 나 무디게합니다.

역 다이오드 사용 :

위의 고려 사항에서 게이트 커패시턴스의 지수 충전은 스파이크 가능성을 줄이지 만 로직 입력 경로의 저항으로 인해 관련 커패시턴스의 방전이 로직 0으로 전환 될 때마다 지연 될 수 있음을 의미합니다. 방전이 지연되면 MOSFET이 스트레스가 많은 조건에서 전도되어 불필요하게 따뜻해집니다.

게이트 저항과 병렬로 역 다이오드를 포함하는 것은 항상 좋은 방법이며, 다이오드를 통해 논리 입력으로 게이트 방전을위한 연속 경로를 제공함으로써 게이트의 지연된 방전을 간단히 해결합니다.

mosfet의 올바른 구현과 관련하여 위에서 언급 한 사항은 신비한 오작동 및 연소로부터 mosfets를 보호하기 위해 모든 회로에 쉽게 포함될 수 있습니다.

하프 브리지 또는 풀 브리지 MOSFET 드라이버 회로와 같은 복잡한 애플리케이션에서도 몇 가지 추가 권장 보호 기능이 있습니다.

게이트와 소스 사이에 저항 사용

이전 이미지에 이러한 포함을 표시하지는 않았지만 모든 상황에서 mosfet이 날아 가지 않도록 보호하기 위해 강력하게 권장됩니다.

그렇다면 게이트 / 소스의 저항은 어떻게 보장 된 보호를 제공할까요?

일반적으로 MOSFET은 스위칭 전압이 적용될 때마다 래치되는 경향이 있습니다.이 래치 효과는 때때로 되돌리기가 어려울 수 있으며 반대 스위칭 전류가 적용될 때는 이미 너무 늦습니다.

언급 된 저항은 스위칭 신호가 제거 되 자마자 MOSFET이 빠르게 꺼지고 손상 가능성을 방지 할 수 있도록합니다.

이 저항 값은 1K에서 10K 사이의 어느 곳이든 될 수 있지만 값이 낮을수록 더 좋고 효과적인 결과를 제공합니다.

눈사태 보호

내부 바디 다이오드의 과전압 상태로 인해 접합 온도가 갑자기 허용 한계를 넘어 서면 MOSFET이 손상 될 수 있습니다. 이 발생을 MOSFET에서 눈사태라고합니다.

이 문제는 디바이스의 드레인 측에서 유도 성 부하가 사용될 때 발생할 수 있으며, MOSFET 스위치 OFF 기간 동안 MOSFET 바디 다이오드를 통과하는 인덕터의 역 EMF가 너무 높아져 MOSFET의 접합 온도가 갑작스럽게 상승 할 수 있습니다. 그 고장.

이 문제는 MOSFET의 드레인 / 소스 단자에 외부 고전력 다이오드를 추가하여 해결할 수 있으므로 역전 류가 다이오드에서 공유되고 과도한 열 발생이 제거됩니다.

H- 브리지 회로의 MOSFET을 연소로부터 보호

위의 것 외에도 IR2110과 같은 드라이버 IC를 포함하는 풀 브리지 드라이버 회로를 사용하는 동안 다음 측면을 염두에 두어야합니다 (곧 다가올 기사 중 하나에서 이에 대해 자세히 논의 할 것입니다).

• 드라이버 IC 공급 핀아웃에 가까운 디커플링 커패시터를 추가하면 내부 공급 핀아웃에서 스위칭 과도 현상이 감소하여 MOSFET 게이트에 대한 부 자연스러운 출력 로직을 방지 할 수 있습니다.
• 부트 스트랩 커패시터에는 항상 고품질의 낮은 ESD, 낮은 누설 유형의 커패시터를 사용하고 두 개를 병렬로 사용할 수 있습니다. 데이터 시트에 제시된 권장 값 내에서 사용하십시오.
• 항상 4 개의 MOSFET 인터링크를 최대한 서로 가깝게 연결하십시오. 위에서 설명한 바와 같이 이것은 MOSFET 전체의 표유 인덕턴스를 감소시킵니다.
• 그리고 상대적으로 큰 값의 커패시터를 하이 사이드 포지티브 (VDD)와 로우 사이드 접지 (VSS)에 연결하면 연결 주변에 숨어있을 수있는 모든 표유 인덕턴스를 효과적으로 접지 할 수 있습니다.
• VSS, MOSFET 로우 사이드 접지 및 로직 입력 접지를 모두 결합하고 공급 단자에 대한 단일 공통 두꺼운 접지로 종단합니다.
• 마지막으로, 숨겨진 상호 연결과 단락을 피하기 위해 납땜 플럭스의 가능한 모든 흔적을 제거하기 위해 아세톤 또는 유사한 플럭스 방지제로 보드를 철저히 세척하십시오.

과열로부터 Mosfets 보호

조명 조광기는 종종 MOSFET 고장으로 고통받습니다. 저온 AC 산업용 애플리케이션에 사용되는 대부분의 조광기는 밀폐되어 있으며 종종 벽에 내장됩니다. 이로 인해 열 방출 문제가 발생할 수 있으며 열이 축적되어 열 이벤트가 발생할 수 있습니다. 일반적으로 조명 조광기 회로에 사용되는 MOSFET은 '저항 모드'에서 실패합니다.

TE Connectivity의 리플로 가능 열 보호 또는 RTP는 저온 AC 애플리케이션에서 MOSFET 오류에 대한 해답을 제공합니다.

이 장치는 MOSFET의 정상 작동 온도에서 낮은 값의 저항처럼 작동합니다. MOSFET에 거의 직접 장착되어 정밀하게 온도를 감지 할 수 있습니다. 어떤 이유로 든 MOSFET이 고온 상태로 드리프트하면 RTP에 의해 감지되며 사전 정의 된 온도에서 RTP는 고가의 저항으로 변경됩니다.

이는 MOSFET의 전력을 효과적으로 차단하여 파괴를 방지합니다. 따라서 저가의 저항기는 더 비싼 MOSFET을 절약하기 위해 희생됩니다. 유사한 비유는 더 복잡한 회로 (예 : 텔레비전)를 보호하기 위해 퓨즈 (저가 재료)를 사용하는 것입니다.

TE Connectivity의 RTP의 가장 흥미로운 측면 중 하나는 최대 260ºC의 엄청난 온도를 견딜 수 있다는 것입니다. 저항 변화 (MOSFET 보호를위한)가 일반적으로 약 140ºC에서 발생하기 때문에 이것은 놀라운 일입니다.

이 기적적인 업적은 TE Connectivity의 혁신적인 설계를 통해 이루어집니다. RTP는 MOSFET 보호를 시작하기 전에 활성화되어야합니다. RTP의 전자 활성화는 플로우 솔더링 (부착)이 완료된 후에 발생합니다. 각 RTP는 지정된 시간 동안 RTP의 준비 핀을 통해 지정된 전류를 전송하여 개별적으로 준비되어야합니다.

시간-전류 특성은 RTP 사양의 일부입니다. 무장되기 전에 RTP의 저항 값은 지정된 특성을 따릅니다. 그러나 일단 장착되면 장착 핀이 전기적으로 열리므로 추가 변경을 방지 할 수 있습니다.

PCB에 MOSFET 및 RTP를 설계하고 장착 할 때 TE Connectivity에서 지정한 레이아웃을 따르는 것이 매우 중요합니다. RTP는 MOSFET의 온도를 감지해야하기 때문에 자연스럽게 두 가지가 근접해 있어야합니다.

RTP 저항은 MOSFET의 온도가 RTP의 개방 온도 (135-145ºC) 미만으로 유지되는 한 MOSFET을 통해 120V AC에서 최대 80A의 전류를 허용합니다.