MOSFET de Potencia. 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento.
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- Hugo San Martín Jiménez
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1 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento. 4. Modelo. 5. Hoja de datos y Simulación. 6. Proceso de Hard-Switching. 7. Hoja de datos y Simulación. 8. Otros tipos de MOS y algunas consideraciones prácticas.
2 Introducción Transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido-Semiconductor Clasificaciones: -Según el tipo de portadores del canal: * CANAL-N * CANAL-P -Según el modo de formación del canal: * ACUMULACIÓN * ENRIQUECIMIENTO -Según las diversas geometrías usadas en la implementación: * VDMOS * V-GROOVE ó TRENCH * LATERAL POWER MOS
3 Introducción Conceptos elementales sobre su funcionamiento: -Dispositivo controlado por tensión, a través del terminal de GATE. -DRAIN y SOURCE conducen la corriente del circuito externo. -Ojo con la flechita!!!!! -DRAIN=Drenaje: salida para los portadores de carga. -SOURCE=Fuente: entrada para los portadores de carga (siempre es el terminal común). EL VOLTAJE DE GATE PERMITE LA CONDUCCIÓN ENTRE DRAIN Y SOURCE POR MEDIO DE LA FORMACIÓN DE UN CANAL CONDUCTIVO (EFECTO DE CAMPO)
4 Introducción
5 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura.
6 Estructura Estudio de la estructura básica Clasificaciones: -Según el tipo de portadores del canal: * CANAL-N * CANAL-P -Según el modo de formación del canal: * ACUMULACIÓN * ENRIQUECIMIENTO -Según las diversas geometrías usadas en la implementación: * VDMOS * V-GROOVE ó TRENCH * LATERAL POWER MOS
7 Estructura
8 Estructura
9 Estructura
10 Estructura Aspectos importantes de la estructura VDMOS: -Corto entre región p y Source. -Drain compuesto por dos capas: n+ y n- (epi layer). -Extensión de la región de Gate sobre la región n- del Drain. -Estructura de celdas (equivalente a un gran arreglo de pequeños MOS de Potencia conectados en paralelo). -Geometría de la celda (importante para la determinación de ciertos parámetros de funcionamiento).
11 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento.
12 Física de la Operación y Características Estáticas Formación del canal y control de la conductividad: -Vgs = 0.. No hay canal (región p = Alta impedancia).
13 Física de la Operación y Características Estáticas Formación del canal y control de la conductividad: -Vgs = 0.. No hay canal (región p = Alta impedancia). -0 < Vgs < Vgs(th).. Aumenta el ancho de la zona de deplexión (cargas descubiertas), por acción del campo eléctrico en el SiO2.
14 Física de la Operación y Características Estáticas Formación del canal y control de la conductividad: -Vgs = 0.. No hay canal (región p = Alta impedancia). -0 < Vgs < Vgs(th).. Aumenta el ancho de la zona de deplexión (cargas descubiertas), por acción del campo eléctrico en el SiO2. -Vgs = Vgs(th).. Comienza a establecerse el canal conductivo (formación de la capa de inversión).
15 Física de la Operación y Características Estáticas Formación del canal y control de la conductividad: -Vgs = 0.. No hay canal (región p = Alta impedancia). -0 < Vgs < Vgs(th).. Aumenta el ancho de la zona de deplexión (cargas descubiertas), por acción del campo eléctrico en el SiO2. -Vgs = Vgs(th).. Comienza a establecerse el canal conductivo (formación de la capa de inversión). -Vgs > Vgs(th).. Se incrementa la conductividad del canal (aumento en la concentración de electrones).
16 Física de la Operación y Características Estáticas Formación del canal y control de la conductividad: -Vgs = 0.. No hay canal (región p = Alta impedancia). -0 < Vgs < Vgs(th).. Aumenta el ancho de la zona de deplexión (cargas descubiertas), por acción del campo eléctrico en el SiO2. -Vgs = Vgs(th).. Comienza a establecerse el canal conductivo (formación de la capa de inversión). -Vgs > Vgs(th).. Se incrementa la conductividad del canal (aumento en la concentración de electrones).
17 Física de la Operación y Características Estáticas Conducción y Saturación del Canal
18 Física de la Operación y Características Estáticas Conducción y Saturación del Canal
19 Física de la Operación y Características Estáticas Conducción y Saturación del Canal
20 Física de la Operación y Características Estáticas Conducción y Saturación del Canal
21 Física de la Operación y Características Estáticas Conducción y Saturación del Canal
22 Física de la Operación y Características Estáticas Características estáticas de funcionamiento: -Región Ohmica.. * Vgs Vgs(th) > Vds * Parámetro: Rds(ON) - Región Activa.. * Vgs Vgs(th) < Vds * Parámetro: Gm (transconductancia) - Gm = constante - Región de bloqueo.. * Vgs < Vgs(th) - Ruptura por avalancha.. * Vds > BVdss
23 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento. 4. Modelo.
24 Modelo
25 Modelo Construcción del Modelo para el MOSFET
26 Modelo Construcción del Modelo para el MOSFET Capacidades parásitas
27 Modelo Orígen de las capacidades parásitas
28 Modelo Composición de la Rds(ON) del MOS
29 Modelo Composición de la Rds(ON) del MOS
30 Modelo Construcción del Modelo para el MOSFET
31 Modelo TBJ parásito y Diodo de cuerpo
32 Modelo Parámetros del Modelo: -Vgs(th) -Gm -Rds(ON) -Cgs, Cgd, Cds -Rgate -Lg, Ld, Ls -Vdiode(ON) Todos estos parámetros pueden obtenerse de las hojas de datos.
33 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento. 4. Modelo. 5. Hoja de datos y Simulación.
34 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento. 4. Modelo. 5. Hoja de datos y Simulación. 6. Proceso de Hard-Switching.
35 Conmutación: Proceso de Hard-Switching Circuito y Modelo para el análisis de la conmutación
36 Conmutación: Proceso de Hard-Switching
37 Conmutación: Proceso de Hard-Switching Conmutación: Proceso de Hard-Switching para el ENCENDIDO Proceso de ENCENDIDO: 4 tiempos
38 Conmutación: Proceso de Hard-Switching Conmutación: Proceso de Hard-Switching para el APAGADO Proceso de APAGADO: 4 tiempos
39 Conmutación: Proceso de Hard-Switching Resumen del proceso de conmutación: -Se producen PICOS DE POTENCIA durante las conmutaciones. -La POTENCIA PROMEDIO disipada en la conmutación es proporcional a la FRECUENCIA: Psw = 0.5 * Vcc * Icc * ( toff + ton ) * fs -Para reducir la Psw, hay que reducir los tiempos de conmutación (principalmente 2 y 3). -La Qrr del diodo debe ser removida por el MOS, y por tanto incrementa notablemente la disipación. -La carga total del entrada al Gate, Qg, permite estimar la potencia entregada por la fuente del driver: P( Vdrv ) = Qg * Vdrv * fs
40 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento. 4. Modelo. 5. Hoja de datos y Simulación. 6. Proceso de Hard-Switching. 7. Hoja de datos y Simulación.
41 de Potencia 1. Introducción. 2. Estructura. 3. Física de la operación del dispositivo y características estáticas de funcionamiento. 4. Modelo. 5. Hoja de datos y Simulación. 6. Proceso de Hard-Switching. 7. Hoja de datos y Simulación. 8. Otros tipos de MOS y algunas consideraciones prácticas.
42 Otros tipos de MOS Tipos de MOS según las geometrías usadas en la implementación: VDMOS V-GROOVE ó TRENCH LATERAL POWER MOS Diversas geometrías de celdas (HEXFETs, Super-TRENCH, etc.)
43 Otros tipos de MOS Tipos de MOS según el modo de formación del canal: ENRIQUECIMIENTO ACUMULACIÓN Tipos de MOS según el tipo de portadores del canal: Canal-N Canal-P
44 Otros tipos de MOS
45 Algunas consideraciones prácticas Algunas consideraciones prácticas Fuente doble en el driver para acelerar el apagado. Usar diodos para acelerar/desacelerar el encendido y el apagado por separado. Layout y trazado de pistas adecuado para reducir inductancias parásitas. Capacitor de snubber para suavizar el apagado. Diodo Schottky para evitar las pérdidas por Qrr. Paraleleo de MOSFETs.
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