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低壓MOS管如何設(shè)計才能起到保護作用

發(fā)布時間:2024-08-23來源: 聯(lián)冀電子閱讀:82

低壓MOS管作為一種新型的功率器件,具有開關(guān)速度快,內(nèi)阻低損耗小等優(yōu)點,但是如果使用不當(dāng)也容易損 壞。低壓MOS管損壞的原因主要有過壓,過流,短路,靜電,過熱,機械損壞等。

     一.過壓 低壓MOS管的過壓主要分為柵源及過壓和漏源及過壓。

1. 柵源及及過壓 低壓MOS管 的柵源及之間允許的電壓(VGSS)都有一個限制,業(yè)界的一般是±12V(低壓 MOS)~±20V(中 壓大電流 MOS/高壓 MOS),華之美半導(dǎo)體大部分低壓MOS管的柵源及耐壓是±12V~±30V,意味著 低壓MOS管 的柵源及之間超過這個電壓,MOSFET 就有可能擊穿損壞。為了防止柵源及過壓,我們可以采取如下措施:

1).采用 5-12V 穩(wěn)定的電壓給低壓MOS管驅(qū)動芯片供電;

2).對于無法采用 5V-12V 穩(wěn)定的電壓給低壓MOS管驅(qū)動芯片供電的情況下需要在柵源及之間并聯(lián) 5V-12 V 的穩(wěn)壓管。

2. 漏源及過壓低壓MOS管的漏源及之間允許的電壓(BVDSS)都有一個限制,意味著低壓MOS管的漏源及之間超過這個電 壓,低壓MOS管就有可能擊穿損壞。因此在選型的時候我們需要根據(jù)電路的電壓輸入范圍和拓撲結(jié)構(gòu)來選擇 低壓MOS管并留有余量。當(dāng)然,由于分布參數(shù)和變壓器漏感的影響,在 低壓MOS管的某個工作瞬間往 往會瞬間過壓,雖然低壓MOS管具有抗擊這種瞬間過壓不被損壞的能力,但也不能超過的限度,為了電 路的安全,我們還是要做好保護措,一般以下幾 3 種:

1).采用瞬態(tài)二及管的撿峰抑制電路:

2).采用 RC 吸收回路:

3).采用 RCD 吸收回路:


二.過流低壓MOS管能承受的的電流和芯片,時間,結(jié)溫和電流都有關(guān)系,例如華之美半導(dǎo)體的 HM3207,芯片在 2 5 度時允許通過的電流為 ID=210A, 在 100 度許通過的電流為 ID=150A,但是這個只是芯片能承受的電 流,當(dāng)然還受封裝的限制,對于 TO-220 封裝來說,只允許通過 75A 的電流。如果是瞬間呢,在 25 度時, 在 300 微秒(沒有超過安全區(qū)域)的脈沖寬度可以通過 840A 的 IDP(峰值電流)。 在設(shè)計選型時我們要根據(jù)的上述電流參數(shù)選擇合適的低壓MOS管并留有余量,低壓MOS管過流一般都 是由于過流后引起結(jié)溫過高而損壞,或者是超過了安全區(qū)域?qū)е潞纳⒐β蔬^大損壞。 常規(guī)的過流保護電路有: 1).采用源及串聯(lián)電流取樣電阻的過流保護電路:由圖中可以看出,U1 的電流比較基準(zhǔn)是 1V,只要 R3 兩 端的壓降超過了 1V,U1 就關(guān)斷 PWM 停止輸出,從而保護了低壓MOS管.

2).采用電流互感器取樣的過流保護電路:互感器取樣的特點是能過很大的電流而損耗小,但體積比較大。


三.短路 短路也可以理解為嚴(yán)重的過流,以華之美半導(dǎo)體的 HM3207 為例,我們來看下低壓MOS管的 安全區(qū)域: 從曲線上可以看出,當(dāng) VDS=13V 時,300A 的電流只有 1MS 的時間耐量。還有規(guī)格書上標(biāo)明了 300US 的耐電流是 840A,這些都是我們設(shè)計短路保護的重要依據(jù)。比如我們設(shè)計一個 24V 的系統(tǒng)采用的就是單 顆這個型號的低壓MOS管,經(jīng)過計算和測量低壓MOS管回路(包含供電電源的內(nèi)阻)是 20 mΩ,如果不限 制短路電流的話,那么短路電流將達到 24/20 mΩ=1200A,這個電流有可能使低壓MOS管在很短的時間內(nèi) 燒毀。所以我們需要快速地檢測低壓MOS管的電流比如達到 300A,快速(幾十到幾百微妙)地關(guān)斷它。從 而保護了低壓MOS管的安全。 一種典型的過流短路保護電路如下圖:


四. 靜電低壓MOS管由于輸入阻抗及高,屬于容性負載,因而對靜電非常敏感,當(dāng)輸入電容感應(yīng)靜電 到電壓時就有可能損壞。 防靜電的一般措施有:

1).包裝,采用防靜電袋,管腳套短路環(huán);

2).儲存環(huán)境的濕度控制,保持相對比較高的濕度可以防靜電;

3).接地,接觸低壓MOS管的設(shè)備都要有妥善的接地措施;

4).電路加入防靜電措施,如柵及并聯(lián)穩(wěn)壓管;

5).操作人員的防靜電,如穿防靜電服,帶靜電環(huán)等。

五. 過熱 當(dāng)?shù)蛪篗OS管超過允許的結(jié)溫時很容易縮短使用壽命,甚至很快燒毀,所以在選型時需要預(yù)留值比較大, 并設(shè)計過熱保護電路。 一般的過熱保護電路由熱敏電阻做溫度檢測,如 PTC,超過溫度,PTC 的電阻會上升很多,如果在 P TC 上通過一個電流,其兩端的電壓也會上升很多,我們可以用比較器設(shè)定一個基準(zhǔn)電平,超過這個基準(zhǔn)電 平,比較器就會發(fā)出一個高或地電平關(guān)斷 低壓MOS管,這就是典型的溫度保護的原理,其典型的電路如下:

六. 機械損壞 由于芯片和管殼的彈性系數(shù)不同,雖然在管殼螺絲孔和芯片之間加了機械應(yīng)力緩沖措施,當(dāng)它們封裝成一 個整體后,還是不能超過的機械應(yīng)力,比如對于 TO-220 封裝在打螺絲時,(電動)螺絲刀的扭力不 應(yīng)超過 6KG.