EL MOSFET DE POTENCIA

Transcripción

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2 Ideas generales sobre el transistor de Efecto de Campo de MetalÓxido Semiconductor El nombre hace mención a la estructura interna: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) Es un dispositivo unipolar: la conducción sólo es debida a un tipo de portador Los usados en Electrónica de potencia son de tipo acumulación D D G G Canal N S Canal P S Conducción debida a electrones Conducción debida a huecos Los más usados son los MOSFET de canal N La conducción es debida a los electrones y, por tanto, con mayor movilidad menores resistencias de canal en conducción

3 Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación Curvas características del MOSFET G V GS D S V DS Referencias normalizadas Curvas de salida I D [ma] Curvas de entrada: No tienen interés (puerta aislada del canal) I D V GS = 4,5V V GS = 4V V GS = 3,5V V GS = 3V V GS = 2,5V V GS < V TH = 2V V DS [V]

4 Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación Zonas de trabajo I D [ma] 2,5KW I D 4 V GS = 4,5V V GS D G S 10V 2 0 V GS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V V DS < 4,5V V GS = 4V V GS = 3,5V V GS = 3V V GS = 2,5V V DS [V] V GS < V TH = 2V Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente (sin interés en electrónica de potencia) Comportamiento como circuito abierto

5 Ideas generales sobre los MOSFETs Precauciones en el uso de transistores MOSFET El terminal puerta al aire es muy sensible a los ruidos El óxido se puede llegar a perforar por la electricidad estática de los dedos. A veces se integran diodos zener de protección Existe un diodo parásito entre fuente y drenador en los MOSFET de enriquecimiento S G D D P N N Substrato G S

6 Estructura de los MOSFETs de Potencia Están formados por miles de celdas puestas en paralelo (son posibles integraciones de 0,5 millones por pulgada cuadrada) Los dispositivos FET (en general) se paralelizan fácilmente Algunas celdas posibles Fuente Puerta Fuente Puerta n n n n p Drenador Estructura planar (D MOS) n p n n Drenador Estructura en trinchera (V MOS) G S D

7 Encapsulados de MOSFETs de Potencia En general, semejantes a los de los diodos de potencia (excepto los encapsulados axiales) Existe gran variedad Ejemplos: MOSFET de 60V R DS(on) =9,4mW, I D =12A R DS(on) =12mW, I D =57A R DS(on) =5,5mW, I D =86A R DS(on) =9mW, I D =93A R DS(on) =1.5mW, I D =240A

8 Encapsulados de MOSFETs de Potencia Otros ejemplos de MOSFET de 60V R DS(on) =3.4mW, I D =90A

9 Características fundamentales de los MOSFETs de potencia 1ª Máxima tensión drenadorfuente 2ª Máxima corriente de drenador 3ª Resistencia en conducción 4ª Tensiones umbral y máximas de puerta 5ª Velocidad de conmutación 1ª Máxima tensión drenadorfuente Corresponde a la tensión de ruptura de la unión que forman el substrato (unido a la fuente) y el drenador. Se mide con la puerta cortocircuitada a la fuente. Se especifica a qué pequeña circulación de corriente corresponde (por ejemplo, 0,25 ma)

10 1ª Máxima tensión drenadorfuente La máxima tensión drenadorfuente de representa como V DSS o como V (BR)DSS Ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potencia Baja tensión Media tensión Alta tensión Ejemplo de clasificación 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V 100 V 150 V 200 V 400 V 500 V 600 V 800 V 1000 V

11 2ª Máxima corriente de drenador El fabricante suministra dos valores (al menos): Corriente continua máxima I D Corriente máxima pulsada I DM La corriente continua máxima I D depende de la temperatura de la cápsula (mounting base aquí) A 100ºC, I D =23 0,7=16,1A

12 3ª Resistencia en conducción Es uno de los parámetro más importante en un MOSFET. Cuanto menor sea, mejor es el dispositivo Se representa por las letras R DS(on) Para un dispositivo particular, crece con la temperatura Para un dispositivo particular, decrece con la tensión de puerta. Este decrecimiento tiene un límite. Drainsource On Resistance, R DS(on) (Ohms)

13 3ª Resistencia en conducción Comparando distintos dispositivos de valores de I D semejantes, R DS(on) crece con el valor de V DSS

14 3ª Resistencia en conducción En los últimos tiempos se han mejorado sustancialmente los valores de R DS(on) en dispositivos de V DSS relativamente alta ( V) MOSFET de 1984 MOSFET de los años 2000

15 4ª Tensiones umbral y máximas de puerta La tensión puerta fuente debe alcanzar un valor umbral para que comience a haber conducción entre drenador y fuente Los fabricantes definen la tensión umbral V GS(TO) como la tensión puertafuente a la que la corriente de drenador es 0,25 ma, o 1 ma Las tensiones umbrales suelen estar en el margen de 24 V

16 4ª Tensiones umbral y máximas de puerta La tensión umbral cambia con la temperatura

17 4ª Tensiones umbral y máximas de puerta La máxima tensión soportable entre puerta y fuente es típicamente de ± 20V

18 5ª Velocidad de conmutación Los MOSFET de potencia son más rápidos que otros dispositivos usados en electrónica de potencia (tiristores, transistores bipolares, IGBT, etc.) Los MOSFET de potencia son dispositivos de conducción unipolar. En ellos, los niveles de corriente conducida no están asociados al aumento de la concentración de portadores minoritarios, que luego son difíciles de eliminar para que el dispositivo deje de conducir La limitación en la rapidez está asociada a la carga de las capacidades parásitas del dispositivo Hay, esencialmente tres: C gs, capacidad de lineal C ds, capacidad de transición C ds k/(v DS ) 1/2 C dg D C dg, capacidad Miller, no lineal, muy importante G S C ds C gs

19 5ª Velocidad de conmutación Los fabricantes de MOSFET de potencia suministran información de tres capacidades distintas de las anteriores, pero relacionadas con ellas: C iss = C gs C gd con V ds =0 ( capacidad de entrada) C rss = C dg (capacidad Miller) C oss = C ds C dg ( capacidad de salida) C dg D D C dg C iss G C gs S C ds G S C oss C ds C gs

20 5ª Velocidad de conmutación Ejemplo de información de los fabricantes C iss = C gs C gd C rss = C dg C oss = C ds C dg

21 5ª Velocidad de conmutación La carga y la descarga de estas capacidades parásitas generan pérdidas que condicionan las máximas frecuencias de conmutación de los MOSFET de potencia Carga y descarga de un condensador desde una resistencia V 1 R C En la carga de C: Energía perdida en R = 0,5CV 1 2 Energía almacenada en C = 0,5CV 1 2 En la descarga de C: Energía perdida en R = 0,5CV 1 2 Energía total perdida: CV 1 2 = V 1 Q CV1 Además, en general estas capacidades parásitas retrasan las variaciones de tensión, ocasionando en muchos circuitos convivencia entre tensión y corriente, lo que implica pérdidas en el proceso de conmutación

22 5ª Velocidad de conmutación Análisis de una conmutación típica en conversión de energía: Con carga inductiva Con diodo de enclavamiento Suponiendo diodo ideal I L C dg V 1 R C ds V 2 C gs

23 5ª Velocidad de conmutación Situación de partida: Transistor sin conducir (en bloqueo) y diodo en conducción Por tanto: v DG = V 2, v DS = V 2 y v GS = 0 i DT = 0 y i D = I L En esa situación, el interruptor pasa de B a A I L i D V 1 A B R v DG C dg v GS C gs i DT C ds v DS V 2

24 5ª Velocidad de conmutación i DT = 0 hasta que v GS = V GS(TO) v GS V GS(TO) v DS B A v DS = V 2 hasta que i DT = I L Pendiente determinada por R, C gs y por C dg ( V 2 ) I L i DT I L i D V 1 A B R v DG C dg v GS C gs i DT C ds v DS V 2

25 5ª Velocidad de conmutación v GS V GS(TO) B A La corriente que da V 1 a través de R se emplea fundamentalmente en descargar C dg prácticamente no circula corriente por C gs v GS = Cte v DS I L i DT I L V 1 A B R v DG C dg v GS C gs i DT C ds v DS V 2

26 5ª Velocidad de conmutación C gs y C dg se continúan v GS V GS(TO) B A V 1 Constante de tiempo determinada por R, C gs y por C dg ( V 1 ) v DS i DT I L I L V 1 A B R v DG C dg v GS C gs i DT C ds v DS V 2

27 5ª Velocidad de conmutación v GS V GS(TO) B A V M V 1 Valoración de pérdidas entre t 0 y t 2 : v DS Hay que cargar C gs (grande) y descargar C dg (pequeña) V M voltios Hay convivencia tensión corriente entre t 1 y t 2 i DT I L i DT P VI t 0 t 1 t 2 t 3 C dg v GS i DT C gs C ds v DS V 2

28 5ª Velocidad de conmutación Valoración de pérdidas entre t 2 y t 3 : v GS V GS(TO) B A V M V 1 Hay que descargar C ds hasta 0 e invertir la carga de C dg desde V 2 V M hasta V M v DS Hay convivencia tensión corriente entre t 2 y t 3 i DT I L i Cdg i Cds I L i Cdg i DT = I L P VI t 0 t 1 t 2 t 3 C dg v GS C gs C ds i Cds v DS I L

29 5ª Velocidad de conmutación v GS V GS(TO) v DS B A V M V 1 Hay que acabar de cargar C gs y C dg hasta V 1 No hay convivencia tensión corriente salvo la propia de las pérdidas de conducción Valoración de pérdidas a partir de t 3 : i DT I L i Cdg i DT = I L P VI t 0 t 1 t 2 t 3 C dg v GS i L C gs C ds v DS I L

30 5ª Velocidad de conmutación Valoración de la rapidez de un dispositivo por la carga de puerta : La corriente que da la fuente V 1 es aproximadamente constante entre t 0 y t 3 (comienzo de una exponencial, con I V1 V 1 /R) De t 0 a t 2, la corriente I V1 se ha encargado esencialmente en cargar C gs. Se ha suministrado una carga eléctrica Q gs De t 2 a t 3, la corriente I v1 se ha encargado en invertir la carga de C dg. Se ha suministrado una carga eléctrica Q dg v GS i V1 Q gs Q dg Hasta que V GS = V 1 se sigue suministrando carga. Q g es el valor total (incluyendo Q gs y Q dg ) Para un determinado sistema de gobierno (V 1 y R), cuanto menores sean Q gs, Q dg y Q g más rápido será el transistor Obviamente t 2 t 0 Q gs R/V 1, t 3 t 2 Q dg R/V 1 y P V1 = V 1 Q g f S, siendo f S la frecuencia de conmutación i V1 V 1 t 0 t 2 t 3 Q g R

31 5ª Velocidad de conmutación Valoración de la rapidez de un dispositivo por la carga de puerta : Información de los fabricantes IRF 540 BUZ80 MOSFET de 1984 MOSFET de los años 2000

32 5ª Velocidad de conmutación Otro tipo de información suministrada por los fabricantes: conmutación con carga resistiva V DS V GS 90% 10% t d on t r t d off t f i DT R D t d on : retraso de encendido t r : tiempo de subida t d off : retraso de apagado t f : tiempo de bajada R G G v GS D S v DS

33 5ª Velocidad de conmutación Otro tipo de información suministrada por los fabricantes: conmutación con carga resistiva IRF 540 i DT R D t d on : retraso de encendido t r : tiempo de subida t d off : retraso de apagado t f : tiempo de bajada R G G v GS D S v DS

34 Pérdidas en un MOSFET de potencia Pérdidas por convivencia tensión corriente entre drenador y fuente v GS v DS P cond = R DS(on) i DT(rms) 2 P conm = f S (w on w off ) i DT P VI W on Pérdidas en conmutación Pérdidas en conducción W off

35 Pérdidas en un MOSFET de potencia Pérdidas en la fuente de gobierno i V1 v GS V 1 R i V1 Q dg Circuito teórico Q gs i V1 t 0 t 2 t 3 V 1 Q g R B P V1 = V 1 Q g f S Circuito real

36 El diodo parásito de los MOSFETs de potencia El diodo parásito suele tener malas características, sobre todo en MOSFETs de alta tensión IRF 540 D G S

37 El diodo parásito de los MOSFETs de potencia El diodo parásito en un MOSFET de alta tensión

38 Características térmicas de los MOSFETs de potencia Es válido todo lo comentado para los diodos de potencia Este fabricante denomina mounting base a la cápsula y suministra información de la R THja = R THjc R THca