Erstellen eines robusten Leistungs-MOSFET-Schalters

Also habe ich über den Schutz eines MOSFET geforscht. Ich habe MOSFETs für einfache Ein-/Ausschalter verwendet, aber nie wirklich daran gedacht, sie vollständig zu schützen. Ich habe sie für Ein / Aus-Schalter verwendet, um Relaisspulen zu aktivieren. Das einzige, was ich getan habe, war, eine Freilaufdiode über die induktive Last zu legen.

Dann stieß ich auf selbstgeschützte MOSFETs. Hier ist ein Link zu einem Diagramm: https://www.google.com/search?q=self+protected+mosfet&espv=2&biw=1920&bih=955&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiY7M3j0MrKAhVIVT4KHWQvD_kQ_AUIBigB#imgrc=uUMrOVnQMAn6oM%3A

Ich interessiere mich nur wirklich für die ESD- und Überspannungsschutzabschnitte, um sie in meine eigenen Designs zu implementieren. Wenn ich ein robustes Design entwickeln würde, um beispielsweise einen Gleichstrommotor anzutreiben, sind hier meine Gedanken:

Schützen Sie das Gate: Ich würde einen Vorwiderstand von etwa 100 Ohm platzieren, um zu verhindern, dass die Gate-Schicht zu stark aufgeladen wird, um sie zu durchbohren.

Stellen Sie sicher, dass sich der MOSFET ausschaltet: Ich würde einen 100-kOhm-Widerstand zwischen Gate und Source platzieren (vorausgesetzt, die Source ist mit Schaltungsmasse oder Batterienegativ verbunden), um sicherzustellen, dass sich der Gate-Kondensator des MOSFET wie ein Verhalten entlädt, sodass sich der MOSFET ausschaltet, wenn der Eingang schwebt.

VGS-Schutz: Ich würde eine TVS-Diode vor dem 100-Ohm-Widerstand platzieren, damit ich Transienten abfangen kann. Ob es uni- oder bidirektional ist, hängt meiner Meinung nach von der Gate-Toleranz für diese Spannungen ab. Ich gehe davon aus, dass Vgs nur positiv sein sollte und verwende daher ein unidirektionales TVS. Und wählen Sie es so, dass die Klemmspannung nicht über dem absoluten Maximum von Vgs für den MOSFET liegt. Die Sperrspannung sollte sofort klemmen.

>>>Vds-Schutz:<<< Hier entsteht meine Verwirrung. Brauche ich das? Die meisten MOSFETs haben eine Body-Diode und sollten vor Spannungen schützen, die durch das schnelle Abschalten von Induktivitäten verursacht werden. Ich gehe kein Risiko ein, also würde ich eine schnellere Diode oder vielleicht sogar ein TVS über Drain und Source verwenden und eine Flyback-Diode auf die Induktivität setzen. Aber in dem Diagramm, das ich verlinkt habe, befindet sich das TVS über Drain und Gate. Warum?

Wenn ich annehme, dass sich am Drain eine große Spannung aufbaut, würde der TVS leiten (vor der maximalen Vds, die ich vom Transistor annehme), durch den Gate-Widerstand gehen und sowohl zur positiven Schiene, die das Gate antreibt, als auch durch den 100-kOhm-Bleed-Widerstand gehen grundieren? Aber schaltet das nicht auch den MOSFET ein? Hier werden die Dinge düster und trotz Recherche im Internet konnte ich keine klare Antwort finden.

Update: Hier ist ein Schaltplan dessen, was in meinem Kopf auf Anfrage des Benutzers ist.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bei Einzel-MOSFET-Anwendungen weist die Body-Diode den falschen Weg, um die Spannungsspitze beim Abschalten einer induktiven Last zu unterdrücken. Beispielsweise ist bei einem N-Kanal-Low-Side-Treiber mit Induktor am Drain die resultierende Spitze beim Abschalten des MOSFET positiv und nicht negativ, und die Body-Diode ist in Sperrrichtung vorgespannt. Die positive Spitze kann einen Lawinendurchbruch durch die Body-Diode induzieren, die manchmal verwendet wird, wenn der MOSFET für wiederholte Lawinen ausgelegt ist und die Energie bewältigen kann. Dies ähnelt eher einem Hochspannungs-Zener und wird manchmal so gezeichnet.
Das macht sehr viel Sinn, danke für diesen Kommentar. Wenn Designer also diese Body-Diode (oder eine Diode im Allgemeinen) verwenden, beabsichtigen sie, vor der maximalen Vds in Sperrrichtung vorgespannt zu leiten.
Datenblätter können variieren, aber Vds MAX ist der Punkt des Lawinendurchbruchs. Ich vertraue dieser Verwendung aus Gründen der Zuverlässigkeit nicht oft, aber wenn Sie dies wünschen, müssen Sie das Datenblatt sorgfältig lesen und weder den Nennstrom noch die Nennenergie überschreiten (normalerweise sowohl für Einzelimpulse als auch für Wiederholungen angegeben). Zusätzliche Marge ist gut. Mehr Marge ist besser. Einige Designer sind nachlässig und denken, dass die Body-Diode den MOSFET automatisch schützt. Normalerweise verwende ich eine Rücklaufdiode über der Last und füge manchmal eine TVS-Diode in Reihe damit hinzu (Anode zu Anode), wenn ich eine schnellere Spulenabschaltung benötige.
Hinzufügen eines TVS in Reihe mit der Flyback-Diode? Warum nicht einfach das TVS verwenden, da es schneller reagiert? Ich sehe die normale Diode als die langsamere in der Kette und reagiere nicht schnell genug? Ich sehe das falsch?
Die normale Diode wird benötigt, um den Durchlassstrom zwischen der Stromversorgung und dem MOSFET zu blockieren. Manchmal wird eine Schottky-Diode für Geschwindigkeit verwendet. Sie könnten ein bidirektionales TVS verwenden, wenn es größer als die Versorgungsspannung ist, aber es wird normalerweise mit einer unidirektionalen TVS-Diode und einer regulären Diode durchgeführt, wie ich es beschrieben habe.
Eine einfache Schaltung für ein Halbleiterrelais (muss normalerweise robust sein) wird hier gezeigt: phidgets.com/wiki/images/4/4a/Versatile_SSR_DC_Load.png

Antworten (1)

Durch Platzieren einer Zenerdiode (oder ähnlichem) zwischen Drain und Gate wird die Gate-Spannung gezwungen, anzusteigen, wenn der Drain die Durchbruchspannung der Diode überschreitet. Sie haben Recht mit der Annahme, dass dies den MOSFET einschaltet. So funktioniert diese Schutzmethode. Um zu verstehen, warum Sie MOSFET-Avalanche verstehen müssen. Die Körperdiode des MOSFET bricht bei einer bestimmten Spannung wie eine Zenerdiode (oder Lawinendiode, um genau zu sein) zusammen. Ein Leistungs-MOSFET besteht aus vielen parallel geschalteten Zellen. Abhängig von der Verarbeitung des Transistors können diese Zellen die Lawinenenergie gut teilen oder nicht. Auch der Ort innerhalb der Zelle, an dem die Lawinenenergie dissipiert wird, ist nicht ganz derselbe wie dort, wo eine normale Leitungsdissipation auftritt. Aus diesem Grund haben einige MOSFETs eine begrenzte Energiemenge, die sie sicher in einem einzigen Lawinenimpuls absorbieren können. Diese Energie kann viel geringer sein, als sie bei einem Impuls normaler Leitung aufnehmen könnte. Es kann null sein. Andererseits haben einige MOSFETs eine nur durch thermische Überlegungen begrenzte Lawinenenergie, mit anderen Worten, sie können jede Menge an Lawinenenergie aufnehmen, solange der Chip nicht überhitzt.

Indem der MOSFET eingeschaltet wird, bevor die Drain-Source-Spannung den Lawinenpunkt überschreitet, wird die Energie durch den normalen Leitungsmechanismus dissipiert. Dies ermöglicht einem MOSFET, der keine hohe Lawinenenergie aufnehmen kann, eine Transiente sicher abzuleiten, beispielsweise von einer ungeklemmten induktiven Last. Sie müssen in Ihrem Design noch darauf achten, dass der MOSFET in Ihrem Design keinen thermisch zu großen Transienten ausgesetzt werden kann, die Energie den Chip trotzdem aufheizt und Sie Tj max nicht überschreiten dürfen.

Sie müssen vorsichtig sein, wenn Sie Dioden zum Gate-Anschluss hinzufügen. Unter bestimmten Umständen können direkt mit dem Gate verbundene Dioden zu sehr hochfrequenten Oszillationen des MOSFET führen. Dies resultiert aus parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in der Schaltung, die einen Rückkopplungspfad bei VHF verursachen. Eine Diode kann dies gleichrichten und den DC-Pegel am Gate hochpumpen, was zu einer stabilen Schwingung führt, die das Gerät in einem teilweise eingeschalteten Zustand hält, wenn versucht wird, es auszuschalten. Dies wird durch Hinzufügen eines geeigneten Gate-Widerstands gemildert.

Wenn Ihre Schaltungstopologie sicherstellt, dass die MOSFETs niemals eine übermäßige Spannung sehen, oder wenn sie Transienten durch Lawinen widerstehen können, müssen Sie möglicherweise keine Schutzkomponenten bereitstellen. Dies ist eine gute Lösung, da durch die Schutzvorrichtungen weitere Probleme verursacht werden können (ein zu großes Thema, um es hier zu behandeln). Abhilfe schafft die Entkopplung der Versorgungsschienen in der Nähe der Ausgangsgeräte in Endstufen. Es ist auch sehr wichtig sicherzustellen, dass Geräte in Brückenkonfigurationen nicht querleitend werden können.

Wie wählen Sie dann ein TVS über Drain und Gate aus? Wenn der FET ausgeschaltet ist, fungiert er als schnelle Spannungsquelle + die Spannung von der Quelle (z. B. Batterie). Wir haben also den Knoten am Abfluss ansteigend, was bedeutet, dass das eine Ende des TVS ansteigt, was ist mit dem anderen Ende? Wenn der Designer kein ESD-TVS oder keine Widerstandsentnahme zwischen Gate und Source verwendet, wäre es dann nicht auf demselben Potenzial und dies würde niemals leiten? Im Falle des Ableitwiderstands ist er mit dem anderen Ende der Spannungsspitze verbunden, was bedeutet, dass er leiten kann. Aber ich bin mir immer noch nicht sicher, wie man einen Fernseher auswählen würde?
Könnten Sie einen Beispielschaltplan posten, das ist ein ziemlich kompliziertes Thema und es ist schwer, allgemein zu sprechen. Als Erstes müssen Sie entscheiden, ob Sie überhaupt ein Gerät hinzufügen müssen. Überspannung kann durch die Wahl des MOSFET, die Schaltungskonfiguration, das Entkoppeln der Versorgung, das Hinzufügen eines Kondensators oder eines Snubber-Netzwerks über die Drain-Source, die Steuerung der Abschaltrate und viele andere Möglichkeiten verhindert werden. Die Lösung wird situationsspezifisch sein.
Ich verstehe. Ich denke, da dies nur zu meinem Verständnis dient, gehe ich von der Schaltung aus, mit der ich gerade meinen Beitrag aktualisiert habe. Ich gehe von einer Situation aus, in der der Motor genug L x (di/dt) hat, um Spannungsspitzen von einigen hundert Volt zu erzeugen. Ich bin mir nur nicht sicher, wie man einen Fernseher auswählen würde. Ich denke, Sie bestimmen zuerst die maximale Sperrspannung Vwm, und dann tritt Ihr Durchbruch typischerweise innerhalb von 10% von Vwm auf. Und dann sollte das Klemmen, Vcl, kleiner sein als die maximale Spannung, die Sie schützen, also Vcl < Vds max.
Ich würde kein solches Gerät verwenden. Ich würde eine Diode oder einen anderen MOSFET um den Motor herum verwenden, um zu verhindern, dass beim Ausschalten des MOSFET ein Sperrpotential am Motor auftritt.
Warum lassen die Hersteller dies dann in ihrer Reihe von selbstgeschützten MOSFETs erscheinen? Es darf nicht nur ein Marketing-Gag sein.
Nein, Diodes Inc (ehemals Zetex Semiconductor) ist ein respektables Unternehmen. Ihr Gerät enthält einen Kurzschlussschutz. Wie ich in meiner Antwort erwähnt habe, wird diese Anordnung verwendet, wenn der MOSFET der Lawinenenergie nicht standhalten kann und Sie sich vor ungeklemmter induktiver Energie oder anderen Transienten schützen müssen, die VDS Max überschreiten würden.
Sobald Sie ein paar spezifische Designs erstellt haben, werden Sie eine klarere Vorstellung von diesem Thema haben. Die wichtigen Schritte sind, sich die Datenblätter der Geräte, die Sie in Betracht ziehen, genau anzusehen. Sehen Sie sich Ihre Anwendung an und rechnen Sie mit Gefahren, die dazu führen könnten, dass die Nennwerte des Geräts überschritten werden. Achten Sie auf nicht offensichtliche Gefahren wie Gate-Oszillation und Spannungsspitzen aufgrund von hohem di/dt in Kombination mit schlechter Versorgungsentkopplung. Wenn Sie eine Klemme parallel zu einem MOSFET hinzufügen müssen, um vor Transienten zu schützen, sind Gesamtenergie und Spitzenstrom wichtige Überlegungen.
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