ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R." FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Carrera de Ingeniería Electrónica y Control Carrera de Ingeniería Eléctrica LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PRÁCTICA N 5 1. TEMA TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO MOSFET 2. OBJETIVOS 2.1. Diseñar el circuito de control para un MOSFET de potencia. 2.2. Conocer las características de conmutación de los MOSFET s. 3. INFORMACIÓN El MOSFET de potencia (Metal Oxide Semiconductor, Field Effect Transistors) difiere del transistor bipolar de juntura en principios de operación, especificaciones y funcionamiento. Las características de operación de los MOSFETs son superiores a las de los transistores bipolares de juntura: tiempos de conmutación más rápidos, circuito de control simple, no segunda avalancha, posibilidad de colocarse en paralelo, ganancia estable y amplio rango de respuesta de frecuencia y temperatura. El MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje (si bien lo más apropiado es señalar que es un elemento controlado por carga) a través del terminal gate, el que está eléctricamente aislado del cuerpo de silicio por una delgada capa de dióxido de silicio (SiO2). Por el aislamiento de la compuerta la corriente que ingresa en el gate es pequeña lo que hace que el circuito de control no deba entregar valores considerables de corriente, ventaja importante con respecto al TBJ. Al ser un semiconductor de portadores mayoritarios, el MOSFET opera a mayor velocidad que un transistor bipolar porque no tiene un mecanismo de mantenimiento de carga [1]. 1
Figura 1. Símbolo y estructura interna de un MOSFET. Las regiones de operación del transistor de efecto de campo son la región de corte, región activa y región óhmica (Figura 2). Región de corte (Cutoff): el voltaje gate-source es menor que el voltaje de umbral V GS(th), el cual es típicamente unos cuantos voltios en la mayoría de MOSFETs de potencia. El dispositivo puede mantenerse abierto aunque se aplique una fuente de potencia entre sus terminales siempre y cuando este voltaje sea menor que el voltaje de sustentación BV SS. Región activa: la corriente de Drenaje ID es independiente del voltaje drain-source VDS y depende únicamente del voltaje gate-source V GS, y está dada por I D = gm[v GS -V GS(th) ]. Región óhmica: cuando el valor de voltaje gate-source es considerablemente mayor al voltaje de umbral V GS >> V GS(th) y V DS es igual o menor que V GS - V GS(th), el elemento entra en la región óhmica. En esta región no es válida la dependencia de la corriente ID del voltaje V GS, sino más bien I D está limitada por el circuito dentro del cual se encuentre el MOSFET. Figura 2. Regiones de trabajo del MOSFET. 2
El TBJ y el MOSFET tienen características que se complementan entre sí, por ejemplo las pérdidas durante la conducción son menores en el TBJ especialmente en dispositivos con alto voltaje de bloqueo, pero tiene tiempos grandes de conmutación sobre todo durante el apagado. Por el contrario el MOSFET puede encenderse o apagarse más rápido, pero sus pérdidas durante la conducción son grandes especialmente para dispositivos de alto voltaje de bloqueo, por lo que una combinación de las características positiva de cada elemento formarán un transistor de buen desempeño, con el objetivo de lograrlo aparece el elemento conocido como IGBT. Al IGBT se lo puede considerar como un MOSFET el cual ha sido modificado en su estructura interna (Figura 3), agregando una capa tipo P bajo el DRAIN, esta modificación tiene como objetivo obtener características entre Drain y Source similares a las de Colector-Emisor del transistor TBJ pero manteniendo las características del MOSFET en el Gate. Es así que el IGBT se caracteriza por tener reducidos tiempos de conmutación, bajas pérdidas durante la conducción y un control por voltaje [2]. Figura 3. Símbolo y estructura interna del IGBT. 4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Consultar las condiciones para el disparo de MOSFETs en aplicaciones de electrónica potencia, incluir el dimensionamiento de la resistencia en el gate. 4.2. Consultar acerca de los Gate Drivers para disparo de MOSFETs. 4.3. Diseñar y simular un control PWM en base a un circuito integrado LM555. El control debe permitir cambiar la frecuencia a valores aproximados de 1[KHz], 10[KHz] y 30[Khz], además debe poder variar la relación de trabajo entre 0,1 < δ < 0,9. 3
4.4. Diseñar y simular el circuito de la Figura 4, si la fuente de potencia a usarse es de 40 V y la resistencia de carga es un foco de 100W. Tomar en cuenta que el Vth de estos elementos es mayor de 5 V, por lo que el circuito de control debe ser alimentado con 12 o 15 VDC. 4.5. Considerar para el diseño el dimensionamiento de un diodo de conmutación rápida (Fast Recovery) para trabajar con una carga inductiva. 4.6. Traer armados todos los circuitos solicitados. Figura 4. Circuito a Implementarse con MOSFET 5. EQUIPO Y MATERIALES Fuente de poder DC. Osciloscopio. Transformador de aislamiento relación 1:1. Capacitor de 1000 µf. Puente de diodos. Autotransformador. Puntas de prueba. Cables. Analizador de armónicos. 4
6. PROCEDIMIENTO 6.1. Para el circuito diseñado en el literal 4.4 del trabajo preparatorio, observar formas de onda y comprobar que el elemento esté trabajando en las regiones de corte y óhmica. Variar la resistencia en la base del MOSFET y comprobar formas de onda de voltaje, corriente y potencia. 6.2. A una relación de trabajo aproximada de 0.5 con el módulo matemático del osciloscopio, multiplicar las ondas de voltaje y corriente para observar la curva de potencia disipada en el dispositivo, para 2 frecuencias y para dos valores de resistencia de gate definidas por el instructor. 6.3. Para una frecuencia de 5KHz y con el valor de resistencia diseñada en el literal 4.4 tomar formas de onda de voltaje y corriente en el dispositivo, determinar los tiempos de encendido y apagado del MOSFET para calcular las pérdidas estáticas y dinámicas. 6.4. Usando el analizador de armónicos medir la potencia de disipación del MOSFET para el literal anterior. 6.5. Repetir el literal 6.3 para carga R-L añadiendo el diodo de conmutación (FAST RECOVERY). 7. INFORME 7.1. Presentar las respectivas formas de onda obtenidas en el osciloscopio para los diferentes literales del procedimiento. 7.2. Comentar los resultados obtenidos del literal 6.2. 7.3. Calcular analíticamente la potencia de disipación del MOSFET para las condiciones del literal 6.3, utilice los tiempos obtenidos experimentalmente. Comparar estos resultados con los del literal 6.4. 7.4. Conclusiones y recomendaciones. 7.5. Bibliografía. 5
8. REFERENCIAS [1] Batarseh, I., Power Electronics Handbook, The Power MOSFET, 2011. [2] P. S. Abedinpour and P. K. Shenai, Power Electronics Handbook, Insulated Gate Bipolar Transistor, 2011. [3] C. J. Savant and G. L. Carpenter, Diseño electrónico circuitos y sistemas. 6