Tranzystory MOSFET

Czym jest tranzystor MOSFET?

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) jest tranzystorem polowym sterowanym napięciowo. Dzięki dużej szybkości przełączania oraz możliwości pracy przy znacznych prądach jest szeroko stosowany w układach energoelektronicznych.

W elektronice przemysłowej MOSFET-y można znaleźć zarówno w obwodach małej mocy, jak i w bardziej wymagających przetwornicach oraz sterownikach.

Gdzie stosuje się tranzystory MOSFET?

Tranzystory MOSFET są wykorzystywane między innymi w:

• zasilaczach impulsowych,
• przetwornicach DC/DC,
• przetwornicach DC/AC,
• sterownikach silników,
• układach PWM,
• układach zabezpieczeń,
• urządzeniach UPS,
• modułach automatyki przemysłowej,
• układach sterowania i regulacji mocy.

Ich dobór zależy od napięcia, prądu, częstotliwości przełączania oraz warunków termicznych.

Najczęstsze przyczyny uszkodzeń MOSFET

MOSFET może ulec uszkodzeniu na skutek przeciążenia elektrycznego lub termicznego.

Najczęstsze przyczyny to:

• zwarcie,
• przeciążenie,
• przepięcie,
• przegrzewanie,
• niewłaściwe sterowanie bramką,
• uszkodzenie drivera,
• nieprawidłowe chłodzenie,
• zbyt duże straty podczas przełączania,
• awaria elementów zabezpieczających.

Uszkodzony MOSFET może być również skutkiem problemu występującego w innym obwodzie urządzenia.

Objawy uszkodzonego MOSFET-a

Awaria tranzystora może powodować:

• brak napięcia wyjściowego,
• przepalenie bezpiecznika,
• wybijanie zabezpieczeń,
• zwarcie w obwodzie zasilania,
• cykliczne uruchamianie przetwornicy,
• nadmierny pobór prądu,
• przegrzewanie,
• uszkodzenie sterownika PWM.

W przypadku zwarcia tranzystora problem może pojawić się natychmiast po podaniu napięcia.

Zwarcie dren–źródło

Jednym z najczęstszych sposobów uszkodzenia MOSFET-a jest zwarcie pomiędzy drenem i źródłem.

Takie uszkodzenie może spowodować gwałtowny wzrost prądu oraz uszkodzenie innych elementów znajdujących się w tym samym obwodzie.

Po wykryciu zwarcia należy sprawdzić również:

• sterownik bramki,
• elementy zabezpieczające,
• rezystory,
• diody,
• układ snubber,
• kondensatory.

Uszkodzenie bramki

Bramka MOSFET-a jest izolowana od pozostałych elektrod, dlatego zwarcie bramka–źródło lub bramka–dren może wskazywać na uszkodzenie struktury tranzystora.

Uszkodzenie bramki może być skutkiem:

• przepięcia,
• nieprawidłowego sterowania,
• awarii drivera,
• wyładowania elektrostatycznego,
• błędnego montażu.

Podczas diagnostyki należy zwrócić szczególną uwagę na izolację bramki.

Przegrzewanie MOSFET-a

Temperatura ma duży wpływ na parametry tranzystora i jego niezawodność.

Przyczyną przegrzewania może być:

• zbyt duży prąd,
• zbyt wysoka częstotliwość przełączania,
• niewłaściwe sterowanie,
• uszkodzenie układu chłodzenia,
• zbyt duża rezystancja przewodzenia,
• nieprawidłowy montaż termiczny.

Długotrwała praca w wysokiej temperaturze może przyspieszać degradację tranzystora.

Uszkodzenie drivera MOSFET

Driver steruje napięciem bramki i wpływa na szybkość włączania oraz wyłączania tranzystora.

Uszkodzony driver może powodować:

• brak przełączania,
• zbyt wolne przełączanie,
• zwiększone straty mocy,
• nadmierne nagrzewanie,
• niestabilną pracę,
• ponowne uszkodzenie MOSFET-a.

Dlatego po wymianie tranzystora warto zawsze sprawdzić jego układ sterowania.

Diagnostyka MOSFET-a multimetrem

Podstawową diagnostykę można przeprowadzić za pomocą multimetru wyposażonego w funkcję testu diody.

W zależności od konstrukcji można sprawdzić:

• dren–źródło,
• bramkę–źródło,
• bramkę–dren,
• diodę pasożytniczą.

MOSFET może zachowywać się inaczej w zależności od typu i konstrukcji, dlatego wyniki należy interpretować na podstawie dokumentacji konkretnego elementu.

Dioda pasożytnicza MOSFET-a

W tranzystorach MOSFET występuje wewnętrzna dioda pomiędzy drenem i źródłem.

Jej obecność należy uwzględnić podczas pomiaru, ponieważ prawidłowy tranzystor może wykazywać przewodzenie w jednym kierunku.

Brak przewodzenia lub zwarcie w obu kierunkach może wskazywać na uszkodzenie, ale wynik należy analizować w kontekście konkretnego typu MOSFET-a.

Pomiar MOSFET-a w układzie

Pomiar tranzystora zamontowanego na płytce może być niejednoznaczny. Na wynik wpływają inne komponenty znajdujące się w obwodzie.

Należy uwzględnić między innymi:

• diody,
• rezystory,
• kondensatory,
• inne tranzystory,
• uzwojenia transformatorów,
• połączenia równoległe.

W razie wątpliwości konieczne może być odłączenie jednego z wyprowadzeń tranzystora.

Analiza sygnału sterującego bramkę

W bardziej zaawansowanej diagnostyce warto sprawdzić napięcie bramki podczas pracy.

Oscyloskop pozwala ocenić:

• amplitudę sygnału,
• częstotliwość,
• czas narastania,
• czas opadania,
• wypełnienie,
• stabilność impulsów.

Nieprawidłowy przebieg może wskazywać na problem z driverem, zasilaniem sterownika lub obwodem sterującym.

MOSFET w zasilaczach impulsowych

MOSFET-y są często stosowane jako główne elementy przełączające w zasilaczach impulsowych.

Ich uszkodzenie może prowadzić do:

• przepalenia bezpiecznika,
• zwarcia strony pierwotnej,
• uszkodzenia sterownika PWM,
• braku napięcia wyjściowego,
• uszkodzenia elementów zabezpieczających.

Po wymianie MOSFET-a należy sprawdzić cały obwód przetwornicy.

MOSFET w sterownikach silników

W urządzeniach sterujących silnikami MOSFET-y mogą tworzyć stopień mocy odpowiedzialny za sterowanie napięciem i prądem silnika.

Ich awaria może powodować:

• brak ruchu,
• zwarcie wyjścia,
• nierówną pracę,
• nadmierny prąd,
• błędy stopnia mocy.

W przypadku sterowników wielokanałowych warto porównać pomiary pomiędzy sprawnymi i uszkodzonymi kanałami.

Wymiana tranzystora MOSFET

Podczas wymiany należy dobrać element odpowiedni do warunków pracy konkretnego układu.

Istotne są między innymi:

• maksymalne napięcie dren–źródło,
• maksymalny prąd,
• rezystancja RDS(on),
• parametry bramki,
• szybkość przełączania,
• straty mocy,
• parametry termiczne,
• obudowa.

Nie każdy tranzystor o takim samym napięciu i prądzie znamionowym będzie odpowiednim zamiennikiem.

Test po wymianie MOSFET-a

Po wymianie tranzystora należy sprawdzić pracę całego układu.

W zależności od zastosowania można kontrolować:

• pobór prądu,
• napięcia,
• przebiegi sterujące,
• temperaturę MOSFET-a,
• napięcie wyjściowe,
• stabilność pracy,
• działanie zabezpieczeń.

Test powinien zostać przeprowadzony również pod obciążeniem, jeżeli konstrukcja urządzenia na to pozwala.

Podsumowanie

Tranzystory MOSFET są powszechnie stosowane w elektronice mocy oraz układach automatyki przemysłowej. Ich uszkodzenie może prowadzić do zwarć, braku napięcia wyjściowego, przeciążenia i uszkodzenia kolejnych elementów.

Skuteczna diagnostyka powinna obejmować nie tylko sam tranzystor, ale również driver, układ zabezpieczeń, chłodzenie oraz elementy współpracujące. Pozwala to znaleźć rzeczywistą przyczynę awarii i ograniczyć ryzyko ponownego uszkodzenia po naprawie.