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Lección 4
EL MOSFET DE POTENCIA
Sistemas Electrónicos de Alimentación
5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IA
G
D
S
D
GS
Canal N
Canal P
El transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)
Es un dispositivo unipolar:
la conducción sólo es debida a un tipo de portador
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, son más rápidos
Curvas características del MOSFETE
L M
OS
FE
T D
E P
OT
EN
CIA
ID [mA]
VDS [V]
4
2
42 60
• Curvas de salida
• Curvas de entrada:No tienen interés (puerta aislada del canal)
Referencias normalizadas
VGS < VTH = 2V
VGS = 2,5VVGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
+
-VDS
ID
+
-VGS
G
D
S
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IA
VDS [V]
ID [mA]
4
2
84 120
VGS = 2,5V
VGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V
Comportamiento resistivo
Comportamiento como fuente de corriente
VGS < VTH = 2V< 4,5V
Comportamiento como circuito abierto
10V
Curvas características del MOSFET
+
-VDS
ID
+
-VGS
2,5K
G
D
S
Precauciones en el uso de transistores MOSFET
G
D
S
DS G
+
P-
Substrato
N+ N+
• 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.E
L M
OS
FE
T D
E P
OT
EN
CIA
Encapsulados de MOSFET
TO 220D 61
TO 247
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IA
TO 3
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IAParámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET
• Tensión de ruptura
• Resistencia en conducción
• Corriente máxima
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
Baja tensión Media tensión Alta tensión
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
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IAResistencia en conducción (RDSon)
Es el parámetro más importante en un MOSFET
El MOSFET en conducción se modela utilizando la RDSon
G
D
S
RDSon
Cuanto más baja es la resistencia, mejor es el transistor
Este parámetro está directamente relacionado con la tensión de ruptura y con la capacidad de manejar corriente
VDS RDSon
ID RDSon
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IAEjemplos de MOSFETS comerciales
IRF 3205
RDSonIDVDS
55 V 110 A 8 m
IRF 1405 55 V 169 A 5.3 m
IRF 520 100 V 10 A 180 m
IRF 3710 100 V 75 A 25 m
IRFP 460 500 V 20 A 270 m
IRF 540 500 V 8 A 850 m
IRFPG 30 1000 V 3 A 5
IRFPG 50 1000 V 6 A 2
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IACaracterísticas de puerta
El correcto manejo de la puerta es fundamental para utilizar un MOSFET
Hay una tensión mínima para ponerlo en conducción: tensión umbral
Threshold voltage: VGS(th)
Hay una tensión máxima de puerta. Por encima de ese valor, se destruye
Valores típicos: 3 – 5 V
Valores típicos: ± 15 V, ± 20 V
El circuito equivalente entre puerta y fuente se modela como un condensador (Ciss)
G
D
S(Ciss)Orden de magnitud: nF
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IACaracterísticas de puerta
Cuanto más alta es la tensión de puerta, menor es la RDSon
Interesa manejarlo con la tensión más alta posible (dentro del margen)
Curvas de salida reales de un MOSFET
25 ºC 175 ºC
Influencia de la temperatura
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IA
Para hacer que el MOSFET se abra y se cierre, debemos cargar y descargar el condensador de puerta
Características de puerta
G
D
S
Energía utilizada en cargarlo: 2GSiss V·C
2
1
Esa energía se pierde y, por tanto, el hecho de manejar el MOSFET implica pérdidas
T
1·V·C
2
1P 2
GSissG
Características fundamentales
P (W)
RTHjc RTHca
Ta
j
c
a
Ta : Temperatura ambiente
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IA
Resistencia Térmica
Los valores dependen fundamentalmente del tipo de encapsulado
Características dinámicas
La rapidez de las conmutaciones depende en gran medida del modo en que se maneje la puerta
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IA
G
D
S
El diodo parásito es lento.
Si el diodo está conduciendo, aunque el MOSFET se abra, el diodo puede seguir conduciendo un cierto tiempo
En un MOSFET hay en total tres capacidades parásitas:
Cgs, Cgd y Cds. A partir de ellas se definen las
capacidades Ciss, Crss y Coss.
Valores reales
GS
Cds
D
Cgd
Cgs
VDS
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IACaracterísticas dinámicas
Las capacidades parásitas influyen fuertemente en las conmutaciones
VGS
G S
CdsCgd
VDS
VGS
D
VDSmax
Se necesita una cierta cantidad de energía para cargar los condensadores
2GSoss V·C
2
1
Efecto Miller
0 V
Al cargar el condensador de puerta se produce un cambio en la impedancia del condensador Ciss, debido a Crss.
VGS
Forma de onda que genera este cambio de impedancia QGD
VDS
tF tR
Definición de tiempos de conmutación
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IACaracterísticas dinámicas
VGS
10%
90%
td(on) td(off)
tF : tiempo de bajada
tR : tiempo de subida
td(on) : Retraso de encendido
td(off) : Retraso de apagado
VDS
ID
PÉRDIDAS
Las conmutaciones no son idealesDurante un cierto tiempo conviven tensión y corriente
EL
MO
SF
ET
DE
PO
TE
NC
IACaracterísticas dinámicas
VGS
VGS(th)
PMosfet
Características dinámicasE
L M
OS
FE
T D
E P
OT
EN
CIA
Pérdidas de conducción
Pérdidas de conmutación
G
D
S
RDSon
ID
TPconducción = RDSon· Ief
2
PMosfet
Cálculo del valor medio de la forma de onda
