MOSFETを保護する方法–基本の説明

この投稿では、正しいPCBレイアウトに関連するいくつかの基本的なガイドラインに従い、これらの敏感なデバイスを注意深く手動で処理することにより、電子回路でMOSFETを保護し、MOSFETの燃焼を防ぐ方法を包括的に学びます。

前書き

すべてを正しく接続した後でも、回路内のMOSFETが熱くなり、数分以内に吹き飛ばされます。これは、MOSFETベースの回路、特に高周波を含む回路を設計および最適化する際に、ほとんどの新規および経験豊富な愛好家が直面する非常に一般的な問題です。

明らかに、与えられた詳細に従ってすべての部品を正しく接続することは、他の問題を想定する前に最初にチェックして確認する必要がある主なことです。基本的なことが完全に正しく行われない限り、回路内の他の隠れたバグを追跡することは無意味だからです。 。

基本的なMOSFET保護アプリケーションは、特に数kHzのオーダーの高周波を含む回路で重要になります。これは、高周波アプリケーションではデバイスのオンとオフをすばやく（ns以内に）オンまたはオフにする必要があるため、関連するスイッチングに直接または間接的に関連するすべての基準を効率的に実装する必要があります。

それでは、MOSFETの不適切または非効率的な切り替えを引き起こす主な障害は何ですか？次の点でMOSFETを保護する方法を包括的に学びましょう。

浮遊インダクタンスを取り除く：

キューの最も一般的で主要なバグは、回路トラック内に隠れている可能性のある浮遊インダクタンスです。スイッチング周波数と電流が高い場合、PCBトラックである接続パスのわずかな不必要な増加でさえ、相互にリンクされたインダクタンスをもたらす可能性があり、非効率的な導通、過渡現象、およびスパイクのためにMOSFETの動作に大幅に影響を与える可能性があります。

この問題を取り除くために、トラックをより広く保ち、デバイスを互いに、そしてそれぞれのMOSFETを駆動するために使用されているドライバICにできるだけ近づけることを強くお勧めします。

そのため、SMDが推奨され、コンポーネント間の相互インダクタンスを排除する最良の方法です。また、両面PCBを使用すると、コンポーネント間の「プリントスルーホール」接続が短いため、問題の制御に役立ちます。

リードをPCBのできるだけ深く挿入することにより、MOSFETの立位の高さを最小限に抑える必要があります。おそらく、SMDを使用するのが最良のオプションです。

MOSFETには、デバイスを導通させるために充電と放電を必要とするコンデンサが組み込まれていることは誰もが知っています。

基本的に、これらのコンデンサはゲート/ソースとゲート/ドレインの間に接続されています。 MOSFETは、静電容量の長時間の遅延充電と放電が効率に直接関係しているため、これらは「好きではありません」。

MOSFETをロジックソース出力に直接接続すると、この問題が解決するように見える場合があります。ロジックソースは、パスに障害物がないため、静電容量をVccからゼロにすばやく切り替えてシンクするためです。

ただし、上記の考慮事項を実装すると、ドレインとゲート全体に危険な振幅を持つトランジェントと負のスパイクが生成され、ドレイン/ソース間の突然の大電流スイッチングにより、MOSFETが生成されたスパイクに対して脆弱になる可能性があります。

これにより、MOSFETのセクション間のシリコン分離が簡単に壊れて、デバイス内部が短絡し、永久に損傷する可能性があります。

ゲート抵抗の重要性：

上記の問題を解決するには、ロジック入力およびMOSFETゲートと直列に小さい値の抵抗を使用することをお勧めします。

比較的低い周波数（50 Hz〜1kHz）の場合、値は100〜470オームの範囲になりますが、これを超える周波数の場合、値は100オーム以内になります。はるかに高い周波数（10kHz以上）の場合、これは50オームを超えてはなりません。 。

上記の考慮事項により、内部コンデンサの指数関数的充電または段階的充電が可能になり、ドレイン/ゲートピン間の負のスパイクの可能性が減少または鈍化されます。

逆ダイオードの使用：

上記の考察では、ゲート容量の指数関数的充電はスパイクの可能性を減らしますが、それはまた、論理ゼロに切り替わるたびに、論理入力の経路の抵抗のために関連する容量の放電が遅れることを意味します。放電の遅延を引き起こすことは、MOSFETをストレスの多い条件下で強制的に伝導させ、不必要に暖かくすることを意味します。

ゲート抵抗と並列に逆ダイオードを含めることは常に良い習慣であり、ダイオードを介してロジック入力へのゲート放電の連続パスを提供することにより、ゲートの遅延放電に対処するだけです。

MOSFETの正しい実装に関する上記のポイントは、MOSFETを不思議な誤動作や燃焼から保護するために、どの回路にも簡単に含めることができます。

ハーフブリッジまたはフルブリッジMOSFETドライバ回路などの複雑なアプリケーションでも、いくつかの追加の推奨保護があります。

ゲートとソース間の抵抗の使用

前の画像にこの包含を示していませんが、これは、すべての状況下でMOSFETが吹き飛ばされるのを防ぐために強くお勧めします。

では、ゲート/ソース間の抵抗はどのようにして保証された保護を提供するのでしょうか？

さて、通常、MOSFETはスイッチング電圧が印加されるたびにラッチアップする傾向があり、このラッチ効果は元に戻すのが難しい場合があり、反対のスイッチング電流が印加されるまでにはすでに手遅れです。

上記の抵抗により、スイッチング信号が除去されるとすぐにMOSFETがすばやくオフになり、損傷の可能性を防ぐことができます。

この抵抗値は1Kから10Kの間のどこかになりますが、値が小さいほど、より良い、より効果的な結果が得られます。

雪崩保護

MOSFETの内部ボディダイオードの過電圧状態により、接合部温度が許容限界を超えて突然上昇すると、MOSFETが損傷する可能性があります。この発生は、MOSFETではアバランシェと呼ばれます。

この問題は、デバイスのドレイン側で誘導性負荷が使用されている場合に発生する可能性があり、MOSFETスイッチのオフ期間中にMOSFETボディダイオードを通過するインダクタの逆起電力が高くなりすぎて、MOSFETの接合部温度が急激に上昇します。その内訳。

この問題は、MOSFETのドレイン/ソース端子間に外部高電力ダイオードを追加することで解決できます。これにより、逆電流がダイオード間で共有され、過剰な発熱が排除されます。

Hブリッジ回路のMOSFETを燃焼から保護する

上記に加えて、IR2110などのドライバICを含むフルブリッジドライバ回路を使用する場合、次の点に注意する必要があります（これについては、今後の記事の1つで詳しく説明します）。

• ドライバICの電源ピン配列の近くにデカップリングコンデンサを追加します。これにより、内部電源ピン配列間のスイッチングトランジェントが減少し、MOSFETゲートへの不自然な出力ロジックが防止されます。
• ブートストラップコンデンサには、常に高品質の低ESD、低リークタイプのコンデンサを使用し、場合によってはそれらをいくつか並列に使用します。データシートに記載されている推奨値の範囲内で使用してください。
• 4つのMOSFETインターリンクは常に互いにできるだけ近くに接続してください。上で説明したように、これにより、MOSFET全体の浮遊インダクタンスが減少します。
• また、ハイサイドプラス（VDD）とローサイドグラウンド（VSS）の間に比較的大きな値のコンデンサを接続します。これにより、接続の周囲に隠れている可能性のあるすべての浮遊インダクタンスが効果的に接地されます。
• VSS、MOSFETのローサイドグランド、およびロジック入力グランドをすべて一緒に結合し、電源端子への単一の共通の厚いグランドに終端します。
• 最後になりましたが、隠れた相互接続や短絡を回避するために、はんだ付けフラックスの痕跡をすべて除去するために、アセトンまたは同様のフラックス防止剤でボードを完全に洗浄してください。

MOSFETを過熱から保護する

照明調光器は、MOSFETの故障に悩まされることがよくあります。低温AC産業用途で使用されるほとんどの調光器は密閉されており、多くの場合壁に埋め込まれています。これは熱放散の問題を引き起こす可能性があり、熱の蓄積を引き起こす可能性があります-熱イベントにつながります。通常、照明調光回路に使用されるMOSFETは「抵抗モード」で故障します。

TE Con​​nectivityのリフロー可能な熱保護またはRTPは、低温ACアプリケーションでのMOSFETの故障に対する答えを提供します。

このデバイスは、MOSFETの通常の動作温度では小さな値の抵抗のように機能します。 MOSFETにほぼ直接取り付けられているため、温度を正確に感知することができます。何らかの理由でMOSFETが高温状態にドリフトした場合、これはRTPによって検出され、事前定義された温度で、RTPは高い値の抵抗に変化します。

これにより、MOSFETへの電力が効果的に遮断され、MOSFETが破壊されるのを防ぎます。したがって、低価格の抵抗は、より高価なMOSFETを節約するためにそれ自体を犠牲にします。同様の例えは、より複雑な回路（テレビなど）を保護するためにヒューズ（価値の低い材料）を使用することです。

TE Con​​nectivityのRTPの最も興味深い側面の1つは、最大260ºCの巨大な温度に耐える能力です。 （MOSFETを保護するための）抵抗の変化は通常約140ºCで発生するため、これは驚くべきことです。

この奇跡的な偉業は、TEConnectivityによる革新的な設計によって実現されています。 RTPは、MOSFETの保護を開始する前にアクティブ化する必要があります。 RTPの電子的アクティブ化は、フローはんだ付け（取り付け）が完了した後に行われます。各RTPは、指定された時間、RTPのアーミングピンを介して指定された電流を送信することにより、個別にアーミングする必要があります。

時間-電流特性は、RTPの仕様の一部です。武装する前は、RTPの抵抗値は指定された特性に従います。ただし、武装すると、武装ピンは電気的に開き、それ以上の変更ができなくなります。

MOSFETとRTPを設計してPCBに取り付けるときは、TEConnectivityで指定されたレイアウトに従うことが非常に重要です。 RTPはMOSFETの温度を検出する必要があるため、当然のことながら、2つは近接したままである必要があります。

RTP抵抗は、MOSFETの温度がRTPの開放温度（135〜145ºC）を下回っている限り、120VACで最大80Aの電流をMOSFETに流すことができます。