Creación de un interruptor MOSFET de potencia robusto

Así que he estado investigando sobre la protección de un MOSFET. He usado MOSFET para interruptores de encendido/apagado básicos, pero nunca pensé en protegerlos por completo. Los he usado para interruptores de encendido/apagado para activar bobinas de relé. Lo único que hice fue colocar un diodo de retorno a través de la carga inductiva.

Luego me encontré con los MOSFET autoprotegidos. Aquí hay un enlace a un diagrama: 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

Solo estoy realmente interesado en las secciones de protección contra ESD y sobrevoltaje para implementar en mis propios diseños. Si tuviera que hacer un diseño robusto para impulsar, digamos, un motor de CC, aquí están mis pensamientos:

Proteger la puerta: colocaría una resistencia en serie de aproximadamente 100 ohmios para evitar que la capa de la puerta se cargue demasiado para perforar.

Asegúrese de que el MOSFET se apague: colocaría una resistencia de 100 k ohmios entre la puerta y la fuente (suponiendo que la fuente esté conectada a tierra del circuito o al negativo de la batería) para garantizar que el comportamiento del capacitor de la puerta del MOSFET se descargue de modo que si la entrada flota, el MOSFET se apaga.

Protección Vgs: colocaría un diodo TVS antes de la resistencia de 100 ohmios para poder detectar transitorios. Si es unidireccional o bidireccional, creo que depende de la tolerancia de las puertas para estos voltajes. Voy a suponer que Vgs solo debe ser positivo y, por lo tanto, usar un TVS unidireccional. Y selecciónelo para que el voltaje de sujeción no supere el máximo absoluto de Vgs para el MOSFET. El voltaje inverso debería bloquearse de inmediato.

>>>Protección Vds:<<< Aquí es donde surge mi confusión. ¿Necesito esto? La mayoría de los MOSFET tienen un cuerpo de diodo y deben protegerse de los voltajes debido a que los inductores se apagan rápidamente. No me gusta correr riesgos, así que usaría un diodo más rápido o tal vez incluso un TVS entre el drenaje y la fuente y colocaría un diodo flyback en el inductor. Pero en el diagrama al que me vinculé, el TVS está al otro lado del desagüe y la compuerta. ¿Por qué?

Si asumo que se acumula un gran voltaje en el drenaje, el TVS conduciría (antes del Vds máximo, supongo que del transistor), atravesaría la resistencia de la compuerta e iría tanto al riel positivo que conduce la compuerta como a través de la resistencia de purga de 100k ohm ¿al suelo? ¿Pero esto no enciende también el MOSFET? Aquí es donde las cosas se ponen turbias y, a pesar de investigar la respuesta en Internet, no pude encontrar una respuesta clara.

Actualización: aquí hay un diagrama de circuito de lo que está en mi cabeza por solicitud del usuario.ingrese la descripción de la imagen aquí

En aplicaciones MOSFET individuales, el diodo del cuerpo apunta en la dirección incorrecta para suprimir el pico de voltaje cuando se apaga una carga inductiva. Por ejemplo, para un controlador de lado bajo de canal N con el inductor en el drenaje, el pico resultante al apagar el MOSFET será positivo, no negativo, y el diodo del cuerpo tendrá polarización inversa. El pico positivo puede inducir una ruptura de avalancha a través del diodo del cuerpo, que a veces se usa si el MOSFET tiene una clasificación de avalancha repetitiva y puede manejar la energía. Esto se parece más a un zener de alto voltaje y, a veces, se dibuja de esa manera.
Esto tiene mucho sentido, gracias por este comentario. Entonces, cuando los diseñadores usan este diodo de cuerpo (o un diodo en general), tienen la intención de realizar una polarización inversa antes de max Vds.
Las hojas de datos pueden variar, pero Vds MAX es el punto de avería de la avalancha. A menudo no confío en usar esto por confiabilidad, pero si desea hacerlo, debe mirar cuidadosamente la hoja de datos y no exceder la corriente de avalancha nominal o la energía (generalmente especificada para pulso único y repetitivo). El margen adicional es bueno. Más margen es mejor. Algunos diseñadores son descuidados y piensan que el diodo del cuerpo protege automáticamente al MOSFET. Por lo general, uso un diodo de retorno a través de la carga y, a veces, agrego un diodo TVS en serie con eso (ánodo a ánodo) si necesito un apagado más rápido de la bobina.
¿Agregar un TVS en serie con el diodo flyback? ¿Por qué no usar el TVS en su lugar, ya que responde más rápido? Veo que el diodo normal es el más lento de la cadena y no reacciona lo suficientemente rápido. Estoy viendo esto mal?
Se necesita el diodo normal para bloquear la corriente directa entre la fuente de alimentación y el MOSFET. A veces se usa un diodo Schottky para la velocidad. Puede usar un TVS bidireccional si es mayor que el voltaje de suministro, pero normalmente se hace con un diodo TVS unidireccional y un diodo normal como lo describí.
aquí se muestra un circuito simple para un relé de estado sólido (generalmente debe ser resistente): phidgets.com/wiki/images/4/4a/Versatile_SSR_DC_Load.png

Respuestas (1)

Al colocar un diodo zener (o similar) entre el drenaje y la puerta, el voltaje de la puerta se verá obligado a aumentar si el drenaje excede el voltaje de ruptura del diodo. Tiene razón al pensar que esto encenderá el MOSFET. Así es como funciona ese método de protección. Para ver por qué tienes que entender la avalancha MOSFET. El diodo del cuerpo del MOSFET se descompondrá a algún voltaje como un diodo zener (o diodo de avalancha para ser estrictamente correcto). Un MOSFET de potencia se compone de muchas celdas en paralelo entre sí. Dependiendo del procesamiento del transistor, estas celdas pueden o no compartir bien la energía de la avalancha. Además, el lugar dentro de la celda donde se disipa la energía de la avalancha no es exactamente el mismo que donde ocurre la disipación por conducción normal. Por esta razón, algunos MOSFET tienen una cantidad limitada de energía que pueden absorber de manera segura en un solo pulso de avalancha. Esta energía puede ser mucho menor de lo que podrían tomar en un pulso de conducción normal. Puede ser cero. Por otro lado, algunos MOSFET tienen energía de avalancha limitada solo por consideraciones térmicas, en otras palabras, pueden tomar cualquier cantidad de energía de avalancha siempre que la matriz no se sobrecaliente.

Al encender el MOSFET antes de que el voltaje de la fuente de drenaje exceda el punto de avalancha, la energía se disipa mediante el mecanismo de conducción normal. Esto permite que un MOSFET que no puede tomar una gran energía de avalancha disipe de manera segura un transitorio, por ejemplo, de una carga inductiva no fijada. Aún debe asegurarse de que en su diseño, el MOSFET no pueda estar expuesto a un transitorio que sea demasiado grande desde un punto de vista térmico, la energía calentará el troquel de la misma manera y no debe exceder Tj max.

Debe tener cuidado al agregar diodos a la terminal de la puerta. En algunas circunstancias, los diodos conectados directamente a la puerta pueden provocar una oscilación de muy alta frecuencia del MOSFET. Esto se debe a que la inductancia y la capacitancia parásitas en el circuito provocan una ruta de retroalimentación en VHF. Un diodo puede rectificar esto y aumentar el nivel de CC en la puerta, lo que da como resultado una oscilación estable que mantiene el dispositivo en un estado parcialmente encendido cuando intenta apagarlo. Esto se mitiga agregando una resistencia de compuerta adecuada.

Si la topología de su circuito garantiza que los MOSFET nunca verán un voltaje excesivo, o si pueden soportar cualquier transitorio por avalancha, es posible que no necesite proporcionar ningún componente de protección. Esta es una buena solución porque puede haber más problemas introducidos por los dispositivos de protección (un tema demasiado amplio para tratarlo aquí). El desacoplamiento de los rieles de suministro cerca de los dispositivos de salida en las etapas de potencia ayuda. También es muy importante asegurarse de que los dispositivos en configuraciones de puente no puedan cruzarse.

Entonces, ¿cómo elige un TVS a través de drenaje y puerta? Cuando el FET está apagado, actuará como una fuente de voltaje rápido + el voltaje de la fuente (ex batería). Así que tenemos el nodo en el drenaje subiendo, lo que significa que el TVS tiene un extremo subiendo, ¿qué pasa con el otro extremo? Si el diseñador no usa am ESD TVS o purga de resistencia entre Gate y Source, ¿no tendría el mismo potencial y esto nunca se conduciría? En el caso de la resistencia de purga, está unida al otro extremo del pico de voltaje, lo que significa que puede conducir. Pero todavía no estoy seguro de cómo se elegiría un televisor.
¿Podría publicar un esquema de ejemplo? Este es un tema bastante complicado y es difícil hablar en términos generales. Lo primero que debe decidir es si necesita agregar un dispositivo. El sobrevoltaje se puede evitar mediante la elección de MOSFET, la configuración del circuito, el desacoplamiento del suministro, la adición de un capacitor o una red de amortiguamiento a través de la fuente de drenaje, el control de la tasa de apagado y muchas otras formas. La solución será específica para la situación.
Veo. Supongo que, dado que esto es solo para que lo entienda, asumo el circuito con el que acabo de actualizar mi publicación. Asumo una situación en la que el motor tendrá suficiente L x (di/dt) para producir picos superiores a un par de cientos de voltios. Simplemente no estoy seguro de cómo se elegiría un televisor. Creo que primero determina el voltaje inverso máximo, Vwm, y luego su ruptura ocurre típicamente dentro del 10% de Vwm. Y luego, la sujeción, Vcl, debe ser menor que el voltaje máximo que está protegiendo, por lo que Vcl <Vds max.
Yo no usaría ningún dispositivo de este tipo. Usaría un diodo u otro MOSFET alrededor del motor para evitar que aparezca un potencial inverso en el motor cuando se apaga el MOSFET.
Entonces, ¿por qué los fabricantes hacen que esto aparezca en su línea de MOSFET autoprotegidos? No puede ser sólo un truco de marketing.
No, Diodes Inc (ex Zetex semiconductor) es una empresa respetable. Su dispositivo incluye protección contra cortocircuitos. Como mencioné en mi respuesta, este arreglo se usa cuando el MOSFET no puede soportar la energía de la avalancha y necesita protegerse contra la energía inductiva sin sujeción u otros transitorios que excederían el VDS Max.
Una vez que haya hecho algunos diseños específicos, tendrá una idea más clara sobre este tema. Los pasos importantes son mirar cuidadosamente las hojas de datos de los dispositivos que está considerando. Mire su aplicación y anticipe cualquier peligro que pueda causar que se excedan las clasificaciones del dispositivo. Tenga cuidado con los peligros no obvios, como la oscilación de la puerta y el pico de voltaje debido a un alto di/dt combinado con un desacoplamiento de suministro deficiente. Si tiene que agregar una abrazadera en paralelo con un MOSFET para proteger contra transitorios, las consideraciones importantes son la energía total y la corriente máxima.
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