Jak zapewnić bezpieczne działanie tranzystorów MOSFET w aplikacjach zasilaczy dwukierunkowych (BDPS)?

Zasilacze dwukierunkowe muszą w takich aplikacjach zapewnić duże bezpieczeństwo działania po to, aby w niekontrolowanych warunkach nie doszło do awarii i uszkodzeń przekładających się na utratę kontroli nad urządzeniem. Do tego potrzebny jest specjalny wyłącznik bezpieczeństwa, jedno- lub dwukierunkowy, pozwalający na odłączanie obwodów na czas rozruchu, przy przetężeniach, zwarciu, przy pomyłce w polaryzacji lub w czasie, gdy napięcie zasilania jest za małe do poprawnej pracy.

W tym artykule przedstawiono wytyczne, które mogą pomóc projektantom w opracowaniu odpowiedniego jednokierunkowego lub dwukierunkowego obwodu przełącznika ochronnego zapewniającego, że tranzystory MOSFET w zasilaczu będą działały w zakresie bezpiecznym.

Co to jest dwukierunkowy wyłącznik zasilania (BDPS) i jak go zrealizować?

Przełącznik dwukierunkowy (bi-directional power switch, BDPS) ma możliwość blokowania przepływu prądu w obu kierunkach. Zapewnia skuteczną ochronę przed anormalnymi warunkami, takimi jak zwarcie, odwrócona polaryzacja, które mogą pojawiać się w urządzeniu w wyniku anomalii lub błędów obsługi.

Można zrealizować go za pomocą dwóch tranzystorów MOSFET z kanałem N lub P. N-kanałowe wersje są preferowane ze względu na mniejszą wartość R_DS(ON) i mniejszy koszt. Ale istniejąca w strukturze tranzystora dioda podłożowa powoduje, że pojedynczy tranzystor może pracować jedynie jako przełącznik jednokierunkowy. Dlatego w rzeczywistych układach są stosowane układy 2-tranzystorowe w konfiguracjach pokazanych na rysunku 1.

 

Rys. 1. Konfiguracje przełączników dwukierunkowych BDPS

Wybór MOSFET-a

Aby zapewnić najlepszą ochronę przy minimalnych stratach mocy, MOSFET w tym zastosowaniu powinien zapewniać małe straty mocy, dobry kontakt termiczny, być odporny na zjawisko przebicia lawinowego. Powinien ponadto zapewnić równy podział prądu między poszczególnymi tranzystorami MOSFETa w połączeniu równoległym oraz zagwarantować bezpieczny proces włączania i wyłączania zasilania w normalnych warunkach pracy i w stanie awarii/niestabilności.

Na rysunku 2 pokazano ogólny schemat systemu z akumulatorem, obciążeniem i przełącznikiem BDPS oraz z zaznaczonymi elementami pasożytniczymi. Podczas wyboru analizowany jest zawsze najgorszy scenariusz pracy, czyli zwarcie.

 

Rys. 2. Przełącznik zasilania na MOSFET-ach w obwodzie low-side

Zjawisko przebicia lawinowego

Zazwyczaj tranzystory MOSFET pracujące jako przełączniki ochronne działają tak, aby włączały się powoli dla ograniczenia prądu rozruchowego i wyłączały się tak szybko, jak to możliwe, aby chronić przed nienormalnymi warunkami (takimi jak zwarcie). Podczas włączania/wyłączania tranzystory MOSFET powinny pracować w warunkach bezpiecznych.

 

Rys. 3. Typowy przebieg napięcia podczas zwarcia

Szybkie wyłączanie tranzystorów MOSFET w czasie zwarcia prowadzi do gwałtownej zmiany prądu (dI/dt), która na indukcyjnościach pasożytniczych indukuje przepięcie o dużej wartości (V_L = L·dI/dt). Dodaje się ono do napięcia na drenie MOSFET-a (jak pokazano na rys. 3), co może doprowadzić do przebicia lawinowego. Maksymalne napięcie na tranzystorze działającym jako przełącznik można obliczyć z równania 1. Aby uniknąć przebicia, dopuszczalne napięcie przebicia wybranego tranzystora MOSFET musi być oczywiście większe niż obliczone napięcie maksymalne (V_max). W tym przypadku wybrano IPT020N10N5, MOSFET mocy OptiMOS 5 100 V w obudowie TO-Leadless (TOLL).

tj. 50 V+2·1,5 μH·7 A/μs=92 V Wybrano zatem 100-woltowy MOSFET o R_DS(ON)=1,5mΩ (IPT020N10N5).

Maksymalny prąd na jeden MOSFET

Równanie 2 definiuje maksymalny prąd (Iallowed), jaki MOSFET może przewodzić w maksymalnej temperaturze.

tj. 21,5A dla wybranych założeń: R_DS(ON)=2,16 mΩ, R_THJA=40ºC/W dla 6 cm²powierzchni chłodzącej na PCB.

Z równania 2 wynika, że MOSFET o niższej rezystancji termicznej pozwala na przepływ prądu o większej wartości. W ofercie Infineona dostępnych jest wiele tranzystorów w różnych obudowach nadających się do tego zastosowania (rys. 4).

 

Rys. 4. Wielkość obudowy MOSFET, rezystancja termiczna i prąd maksymalny

Połączenie równoległe tranzystorów

Bardzo często MOSFET-y łączy się równolegle, aby zwiększyć prąd maksymalny, a także dla zmniejszenia strat i zapewnienia równomiernego rozkładu ciepła na PCB. Równanie 3 określa liczbę tranzystorów MOSFET połączonych równolegle (N), które spełnią kryterium wzrostu temperatury. MOSFET-y mają dodatni współczynnik temperaturowy, co oznacza, że RDS(ON) rośnie wraz z temperaturą.

Dla podanego przykładu jest to 50 A/21,5 A= 3 MOSFET-y.

Ze względu na straty I2R temperatura struktury podczas pracy się zwiększa. Niemniej rosnąca temperatura tranzystora o małym R_DS(ON) powoduje z jednej strony, że przewodzi on większy prąd przy połączeniu równoległym, z drugiej strony jego R_DS(ON) zwiększa się z powodu wyższych strat I²R, co w rezultacie skutkuje stabilnym stanem termicznym w stanie stabilnym.

Mimo to MOSFET z najniższą wartością R_DS(ON) jest najcieplejszy i należy upewnić się, że jego temperatura będzie niższa niż dopuszczalna temperatura robocza podawana w karcie katalogowej.

Rozpraszanie ciepła

Straty mocy związane z przewodzeniem lub I²R (Pcond) są jedynym źródłem strat w przełącznikach BDPS. MOSFET-y najlepiej nadające się do tego zastosowania zapewniają najlepszą w swojej klasie niską rezystancję w stanie włączenia. Ponieważ R_DS(ON) zwiększa się z temperaturą, aby zapewnić bezpieczną pracę, tranzystory te pracują zwykle poniżej 100°C. Biorąc pod uwagę R_DS(ON) dla temperatury 100°C, straty przewodzenia można obliczyć za pomocą równania 4.

tj, 0,6 W dla omawianego przykładu.

Dzięki licznym innowacjom w zakresie obudów Infineon może zaproponować elementy o obniżonej wartości R_DS(ON) (OptiMOS 3 vs. OptiMOS 5) dla tej samej obudowy, aby zapewnić lepszą wydajność.

Wzrost temperatury

Maksymalny dopuszczalny wzrost temperatury w aplikacji zależy oczywiście od zastosowania. Temperaturę obudowy tranzystora oblicza się z równania 5.

W omawianym przypadku przyrost wynosi 74ºC dla R_thJA=40ºC/W (IPT020N10N5). Przyrost temperatury jest mniejszy niż wartość dopuszczalna (T_max) tj. 95°C i spełnia wymagania projektowe.

W omawianym przypadku przyrost wynosi 74ºC dla RthJA=40ºC/W (IPT020N10N5). Przyrost temperatury jest mniejszy niż wartość dopuszczalna (T_max) tj. 95°C i spełnia wymagania projektowe.

Bezpieczne praca MOSFET-ów

Do sterowania omawianymi przełącznikami stosuje się układy scalone monitorujące warunki pracy lub stan baterii lub mikrokontrolery. Potrzebują one czasu na detekcję i reakcję. W przypadku zwarcia (jak pokazano na rys. 3), MOSFET-y powinny wytrzymać taki stan zwarcia przez czas odpowiedzi (reakcji) układu monitorującego Tsc.

Powolne załączanie wyłączników zabezpieczających jest używane głównie w celu ograniczenia wartości prądu rozruchowego, szybkie wyłączanie to domena ochrony przed awariami. W czasie włączania/ wyłączania tranzystory pracują w obszarze pracy liniowej (zaznaczonym na żółto na rys. 3), stąd dobór musi się odbywać także pod kątem:

• przejściowego wzrostu temperatury złącza,
• włączania/wyłączania w stanie liniowym (aktywnym).

Przejściowa temperatura złącza

impulsy prądu o dużym natężeniu w czasie zwarcia (Tsc) lub przewodzenie prądu podczas ograniczania prądu rozruchowego mogą spowodować powstanie gorącego punktu w strukturze MOSFET-a. Dla bezpieczeństwa przejściowa temperatura złącza tranzystora MOSFET musi być niższa od temperatury granicznej określonej w karcie katalogowej. Równanie 6 szacuje temperaturę złącza tranzystora w oparciu o przejściową impedancję termiczną.

Prąd zwarciowy o wartości 100 A płynący przez 100 μs podnosi temperaturę tranzystora jedynie o 0,3°C.

Załączanie i wyłączanie w zakresie pracy liniowej

Przełącznik zasilania pracujący jako ogranicznik prądu rozruchowego działa w zakresie pracy liniowej i warunki pracy muszą mieścić się w jego bezpiecznym obszarze roboczym (SOA).

 

Rys. 5. Poprawa R_DS(ON) w kolejnych generacjach MOSFET-ów Infineona

 

Rys. 6. Przejściowa impedancja termiczna, tj. zmiana temperatury w czasie po obciążeniu dla tranzystora IPT020N10N5

W kartach katalogowych granice obszaru SOA są zdefiniowane dla określonego czasu trwania impulsu prądu o stałej wartości, ale niestety podczas włączania/wyłączania prąd płynący przez tranzystor się zmienia. Tak więc nie jest możliwe bezpośrednie użycie informacji z wykresu SOA i zamiast tego, w przypadku warunków krytycznych i odbiegających od normy, należy wykonać następujące kroki:

• Obliczenie rozproszonej mocy przejściowej Pt=V_DS(t)I_D(t) [W] (rys. 7)

 

Rys. 7. Przebiegi V_DS(t), I_D(t) i P_D(t)

• Zsumowanie składowych mocy rozproszonej podczas zdarzenia włączania/ wyłączania, aby obliczyć całkowitą energię (rys. 8)

 

Rys. 8. Proces rozproszenia energii

• Oszacowanie kwadratu mocy przez podział energii obliczonej z równania 8 przez czas Δt = t1–t0

tj. dla 15 mJ i 10 μs jest to 1500 W (rys. 9)

 

Rys. 9. Kwadratowa charakterystyka rozpraszania mocy

• Zmniejszenie wartości znamionowej SOA do TJFET i wykreślenie linii mocy na wykresie SOA (rys. 10).

 

Rys. 10. Wykres obszaru SOA dla IPT020N10N5

Na podstawie powyższych rozważań można stwierdzić, że układ jest bezpieczny, ponieważ oszacowany kwadrat (1500 W przy 10 μs) leży znacznie poniżej granicy SOA przy t_pulse = 10 μs.

W czasie zwarcia temperatura MOSFET-a wzrasta do T_JSC, ale następnie może jeszcze się zwiększyć z powodu powolnego wyłączania, gdyż w tym czasie MOSFET przechodzi przez obszar pracy liniowej. Zwiększa to rozpraszaną moc i temperaturę. Można to obliczyć za pomocą równania:

W tym przypadku (1500 W · 0,01ºC/W) + 85,3ºC=100,3ºC, a więc poniżej dopuszczalnej wartości 150ºC.

Podsumowanie

Dla zapewnienia bezpiecznego i niezawodnego działania tranzystora MOSFET w aplikacji wyłącznika zasilania konieczne jest wzięcie pod uwagę wiele czynników, jak dobre rozpraszanie ciepła, doskonały interfejs termiczny, brak przebicia lawinowego, identyczny podział prądu między pracującymi równolegle tranzystorami MOSFET oraz prawidłowe i bezpieczne włączanie/wyłączanie tego elementu.

Infineon
www.infineon.com/xensiv