Transistores de Potencia

Transcripción

1 Transsor BJT Transsor MOSFET Transsores de Poenca

2 El ranssor bpolar de poenca SÍMBOLO EMISOR BASE NPN BASE COLECTOR C B u CE u BE E PNP BASE COLECTOR C B u CE u BE E 10µm 5-20µm µm 250µm N + P N - N + EM. EMISOR BASE COLECTOR COLECTOR EMISOR á/cm á/cm á/cm 2 EMISOR EMISOR COLECTOR DISEÑO: Especfcar DOPADOS y ESPESORES (p.ej.: el espesor de la capa N - deermna la ensón de rupura) Base de pequeño espesor aumena β Base de pequeño espesor menor ensón de rupura monaje darlngon Esrucura vercal maxmza el área de conduccón mnmza res. óhmca y érmca Presenan varas bases y emsores enrelazados, para evar la concenracón de correne.

3 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas esácas c bmax I c P MAX SATRACIÓN ZONA ACTIVA b2 b1 V ce0 b =0 CORTE u ce V CE0 : u CE de rupura con la base abera (I B =0) I C : Correne máxma de colecor P MAX : máxma poenca capaz de ser dspada por el ranssor. Las zonas de avalancha deben evarse.

4 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas esácas Avalancha secundara La correne de base provoca caídas de ensón nerna en la zona de base que se suman a la ensón exerna enre emsor y colecor. BASE EMISOR Esa ensón es mayor cuano menor sea β La concenracón de correnes provoca sobrecalenamenos localzados que desembocan en avalancha secundara cuando I C es grande. Para mnmzar ese fenómeno los ranssores de poenca enen varas bases y emsores enrelazados. P N - N + N COLECTOR

5 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas esácas Avalancha secundara La correne de base provoca caídas de ensón nerna en la zona de base que se suman a la ensón exerna enre emsor y colecor. BASE EMISOR Esa ensón es mayor cuano menor sea β La concenracón de correnes provoca sobrecalenamenos localzados que desembocan en avalancha secundara cuando I C es grande. Para mnmzar ese fenómeno los ranssores de poenca enen varas bases y emsores enrelazados. P N - N + N COLECTOR

6 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas esácas c 100us I cmax-dc connua 100us P MAX S.O.A.R. Zona de avalancha secundara V ce0 u ce SOAR: Zona de rabajo seguro. Depende de la frecuenca de rabajo.

7 El ranssor bpolar de poenca: SOAR

8 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas esácas Crcuos equvalenes esácos. u B R CARGA u ce c V CC u B + u ce c SATRA- CIÓN CORTE SATRA- CIÓN Crcuo equvalene en sauracón R CARGA R B u B V BE V CE-SAT V CC Para esmar la poenca dspada en el bpolar: V BE 0,7 V V P CE SAT Es SAT 0,3 V V CESAT I C V BE I B 0,3 I C VB 0,7 0,7 R B

9 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas esácas Crcuo equvalene en core R B R CARGA V CC u B V CE

10 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas dnámcas Encenddo con carga ressva. u B R CARGA u ce c V CC u B + u ce c 90% 10% don rse La gran candad de carga espacal necesa empo para ser creada y desruda. El paso de core a sauracón, y vceversa, es leno. Cuana menos carga espacal más rápda será la conmuacón pero ambén mayores serán las pérddas esácas. ON Con el fn de acelerar la conmuacón y dsmnur sus pérddas, puede sumnsrarse una I B negava para pasar de sauracón a core.

11 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas dnámcas Apagado con carga ressva. u B R CARGA u ce c V CC u B + u ce c 90% 10% s fall s : Tempo de almacenameno: el proceso de conduccón connúa a cosa de los poradores almacenados en la base. Las pérddas en conmuacón en el apagado son MAYORES que las del encenddo (debdo al empo de bajada) OFF

12 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas dnámcas Cálculo de la poenca dspada en la conmuacón: APAGADO u Durane fall : CE () V CC fall C () C MAX fall fall u ce V CC E OFF fall 0 C () u CE () d c C MAX E OFF C MAX V 6 CC fall fall Para calcular la poenca (W) basa mulplcar por la frecuenca. Para el caso de la poenca en el ENCENDIDO, se acúa de manera análoga.

13 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas dnámcas Apagado con carga nducva: L u ce V CC V CC c c C MAX u B u ce 1 off 2 En 1 : u CE () V CC 1 (Menras exsa crculacón de correne por el dodo, sopora ensón nula). En 2 : C () I C MAX 2 2 E E OFF OFF OFF 0 C MAX C V 2 () u CC CE off () d

14 El ranssor bpolar de poenca: Caraceríscas dnámcas Encenddo con carga nducva: u ce L V CC V CC c c RR C MAX u B u ce 1 on 2 En 1 : En 2 : u C u C () CE V CC () CE () () C MAX V CC C MAX RR RR 2 E E ON ON on 0 C MAX C () u V 2 CC CE on () d RR V CC 3 on 1 2

15 El ranssor bpolar de poenca: Monaje Darlngon Caraceríscas Aumeno de : TOT = 1 * La conmuacón es aún más lena. Dodo exerno para aplcacones de medo puene y puene compleo. COLECTOR C B BASE E EMISOR Dodo exerno para aumenar la velocdad de conmuacón.

16 PERTA EL TRANSISTOR DE POTENCIA El MOSFET de poenca: Esrucura SÍMBOLO CANAL N DRENADOR D G u DS u GS S CANAL P PERTA DRENADOR D G u DS u GS S PERTA FENTE ÓXIDO N - N N N N N N N P P P SS FENTE FENTE DRENADOR Dsposvo fundamenal como nerrupor conrolado por ensón. Suele usarse cas exclusvamene los de canal N. Sempre de ACMLACIÓN; no enen el canal formado. El susrao esá sempre conecado a la fuene. Compueso por muchas células de enrquecmeno conecadas en paralelo. Ala mpedanca de enrada (C GS ).

17 El MOSFET de poenca: caraceríscas esácas D I D MAX SATRACIÓN ZONA ACTIVA u GS =u GS1 u GS2>u GS1 P MAX V DS MAX u GS <u GS TH CORTE u DS S u GS es menor que el valor umbral, u GS TH, el MOSFET esá abero (en core). n valor ípco de u GS TH es 3V. u GS suele ener un líme de ±20V. Suele proporconarse enre 12 y 15 V para mnmzar la caída de ensón V DS. V DS MAX : Tensón de rupura máxma enre drenador y fuene. I D MAX : Correne de drenador máxma (DC). R DS ON : Ressenca de encenddo enre drenador y fuene.

18 El MOSFET de poenca: caraceríscas esácas D Zona lmada por R DS ON P MAX 100us S.O.A.R. SOAR: Zona de rabajo seguro. Depende de la frecuenca de rabajo. u DS

19 El MOSFET de poenca: S.O.A.R.

20 El MOSFET de poenca: Caraceríscas esácas Crcuos equvalenes esácos. u GS R CARGA u DS D V CC u GS + u DS D SATRA- CIÓN CORTE SATRA- CIÓN Crcuo equvalene en core Crcuo equvalene en sauracón R CARGA R CARGA V CC V CC u DS u GS R DS ON

21 El MOSFET de poenca: Caraceríscas esácas MOSFET en core (u DS >0) PERTA ÓXIDO FENTE Zona de ranscón: La zona P-N - es un dodo polarzado nversamene. u DS N - N N N N N N P P P SS N DRENADOR La unón PN - esá nversamene polarzada. La ensón drenador-fuene esá concenrada en la unón PN -. La regón N - esá poco dopada para alcanzar el valor requerdo de ensón soporada (raed volage). Tensones de rupura grandes requeren zonas N poco dopadas de gran exensón.

22 El MOSFET de poenca: Caraceríscas esácas MOSFET saurado ( DS >0) Con sufcene u GS se forma un canal bajo la puera que perme la conduccón bdrecconal. Aparece una ressenca R DS ON, enre drenador y fuene, que es suma de ressencas: canal, conacos de fuene y drenador, regón N -... Cuando la ensón de rupura aumena, la regón N - domna en el valor de R DS ON. PERTA N - ÓXIDO u GS FENTE N N N N N N P P P SS En una zona poco dopada no hay muchos poradores, por lo que R DS ON aumena rápdamene s la ensón de rupura se quere hacer de varos cenenares de volos. N DRENADOR n MOSFET es el nerrupor preferdo para ensones menores o guales a 500V. Más allá es preferble, en general, un IGBT. El MOSFET es capaz de conducr correnes de pco basane superores a su valor medo máxmo (raed curren).

23 El MOSFET de poenca: Caraceríscas esácas Dodo paráso enre drenador y fuene. El dodo se polarza drecamene cuando V DS es negava. Es capaz de conducr la msma correne que el MOSFET. La mayoría son lenos. Eso provoca pcos de correne de recuperacón nversa que pueden desrur el dsposvo. PERTA G DRENADOR D u DS Puede anularse o susurse el dodo paráso medane dodos exernos rápdos. u GS S FENTE Anulacón Susucón

24 El MOSFET de poenca: Caraceríscas dnámcas Parámeros parásos C GD L D Los empos de conmuacón del MOSFET se deben prncpalmene a sus capacdades e nducancas parásas, así como a la ressenca nerna de la fuene de puera. Parámeros parásos. C GS C GD L S C DS C ISS : C GS + C GD Capacdad de enrada Se mde con la salda en corocrcuo. C RSS : C GD Capacdad Mller o de ransferenca nversa. C OSS : C DS + C GD Capacdad de salda; se mde con la enrada corocrcuada L D : Inducanca de drenador L S : Inducanca de fuene. C DS C GS : Grande, consane C GD : pequeña, no lneal C DS : moderada, no lneal C GS

25 El MOSFET de poenca: Caraceríscas dnámcas Conmuacones con carga ressva pura V A V DD C GD R D u GS u GS-TH R G C DS D 90% 90% 10% 10% 1 2 u DS delay rse on dsch fall off C GS V A p MOS

26 EFECTO MILLER O I F I O A A u I O F Z F I I F A I 1 A F A 1 Z F I F F F Z A 1 Z I EFECTO MILLER EN LA ENTRADA O O F A O A A 1 F O F F F Z A A 1 Z I F A A 1 Z A u I O EFECTO MILLER EN LA SALIDA El MOSFET de poenca: Caraceríscas dnámcas EL TRANSISTOR DE POTENCIA

27 El MOSFET de poenca: Caraceríscas dnámcas Conmuacones con carga ressva pura V A V DD C GD R D u GS u GS-TH R G C DS D 90% 90% 10% 10% 1 2 u DS delay rse on dsch fall off C GS V A p MOS

28 El MOSFET de poenca: Caraceríscas dnámcas Conmuacones con carga nducva V A L D V DD C GD u GS u GS-TH D I RR R G 1 2 C DS u DS on off C GS V A p MOS

29 El MOSFET de poenca: Cálculo de pérddas Cálculo de la poenca dspada en la conmuacón: APAGADO con carga ressva u Durane fall : DS () V DD fall D () D MAX fall fall u DS V DD E OFF fall 0 D () u DS () d D D MAX E OFF D MAX V 6 DD fall fall Para calcular la poenca (W) basa mulplcar por la frecuenca. Para el caso de la poenca en el ENCENDIDO, se acúa de manera análoga.

30 El MOSFET de poenca: Cálculo de pérddas EJEMPLO: Evalúense las pérddas en el MOSFET de R DS ON=0,55 W para el caso de que su ensón y correne sean las de la fgura. Hágase el cálculo cuando d=0,3 y con frecuencas de 10kHz y 150 khz. D u DS 5A 150V Pueso que T>>100ns, puede aproxmarse P1 RDS ON I Drms 0,55 5 E P OFF MOS E ON (f) 2 E 2 D MAX ON V 6 (f) P DD 1 2 d 4,125W fall (10kHz) P MOS (150kHz) P MOS ns 12,5 J d T 0,25W 4,125W 100 ns 4,38W 37,5W 4,125W 41,6W (1-d) T

31 El MOSFET de poenca: Cálculo de pérddas Apagado con carga nducva: En 1 : u DS () V DD 1 u DS V DD En 2 : D () I D MAX 2 2 D D MAX 1 off 2 (Menras exsa crculacón de correne por el dodo, sopora ensón nula). E E OFF OFF OFF 0 D MAX D V 2 () u DD DS off () d

32 El MOSFET de poenca: Cálculo de pérddas Encenddo con carga nducva: En 1 : u D () DS V DD () D MAX RR 1 u DS V DD En 2 : u D DS () () V DD D MAX RR 2 D RR 1 on 2 D MAX E ON on 0 D () u DS () d E ON D MAX V 2 DD on RR V DD 3 on 1 2

33 El MOSFET de poenca: Crcuos de goberno de puera (drvers) Sn aslameno +V CC C GD R r C DS V GG C GS 1.- Crcuo para dsmnur el efeco Mller. 2.- Los ranssores de puera son de señal y por ano más rápdos. 3.- La ressenca de puera, r, es muy pequeña (<10W) y se coloca para proeger la puera de posbles pcos de ensón. 4.- Las capacdades se cargan lnealmene, con correne consane. 5.- La poenca que maneja el crcuo de goberno es muy pequeña.

34 El MOSFET de poenca: Crcuos de goberno de puera (drvers) Con aslameno G D S 500V 1.- Sempre hay un nerrupor cerrado generándose una onda cuadrada sobre R. 2.- Cuando cerra el nerrupor de abajo, en G y en S debe haber 0V. INT R 3.- Cuando es el MOSFET quen se cerra, en su fuene aparecen 500V. 4.- En ese momeno, para manener el MOSFET cerrado, en puera debe haber 515V. 5.- En general, en equpos de poenca odas las fuenes de ensón deben esar referdas a masa, pues provenen de VG. 6.- Se necesa una ensón superor a la propa VG. 7.- En la resolucón de ese problema, los crcuos de bomba de carga se han mpueso a los ransformadores de mpulsos.

35 El MOSFET de poenca: Crcuos de goberno de puera (drvers) BOOTSTRAP 1.- Al cerrarse el nerrupor nferor, C BOOT se carga a 15V en un solo cclo. 2.- Cuando en S hay 500V el dodo D BOOT mpde que C BOOT se descargue; dcho dodo debe ser capaz de bloquear oda la ensón del crcuo. 4.- Con dos ranssores auxlares se aplca la ensón de C BOOT a la puera del MOSFET de poenca. 5.- CBOOT debe ener una capacdad muy superor a la de puera para que apenas se descargue. C BOOT D BOOT V CC G INT D S 500V R C BOOT V CC QG 1,5V 12V Q G : carga de puera V CC : 15V 1,5V: caídas de ensón en los ranssores auxlares 12V: ensón mínma de puera

36 El MOSFET de poenca: Caraceríscas reales Algunos MOSFET de poenca Referenca V DS,MAX I D,MAX R ON Q G (ípca) SMM70N06 60V 70A 0,018 W 120nC IRF V 5,6A 0,54 W 5nC IRF540N 100V 27A 0,052 W 71nC APT10M25BVR 100V 75A 0,025 W 150nC IRF V 10A 0,55 W 35nC APT4012BVR 400V 37A 0,12 W 195nC APT5017BVR 500V 30A 0,17 W 200nC MTW10N100E 1000V 10A 1,3 W 100nC c (ípco) 120ns 47ns 74ns 50ns 40ns 67ns 66ns 290ns

37 El MOSFET de poenca: Encapsulados Semop 2 Semrans 1 Semrans 2 TO220 TO247 TO3

38 El MOSFET de poenca: Caso real: IRF540N

39 El MOSFET de poenca: Caso real: IRF540N

40 El MOSFET de poenca: Caso real: IRF540N

41 El MOSFET de poenca: Caso real: IRF540N

42 El MOSFET de poenca: Caso real: IRF540N

43 El MOSFET de poenca: Caso real: IRF540N