5. Trans Compuerta Aislada.
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7/22/2019 5. Trans Compuerta Aislada.
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FACULTAD DE INGENIERIAPROGRAMA: INGENIERIA ELECTRONICA
ASIGNATURA: ELECTRNICA DE POTENCIAPREPARADO POR: OVIDIO R. OSPINO MIELES.
SANTA MARTA 2013
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TRANSISTORES DE COMPUERTA A ISLADA
MOSFET o IGFETMOS: Metal Oxide Semiconductor.FET: Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de
efecto campo basado en laestructura MOS. (Metal OxidoSemiconductor)
Construido con la terminal de lacompuerta aislada del canal con
el dielctrico dixido de silicio(SiO2)
Dispositivos de portadoresmayoritarios.
IGBTIG: Insulated Gate.BT: Bipolar transistor. Consiste en un transistor
bipolar con compuertaaislada basado en laestructura MOS. (MetalOxido Semiconductor)
Construido con la terminalde la compuerta aisladacon el dielctrico dixidode silicio (SiO2)
Dispositivos de portadoresminoritarios
Baja disipacin de calor.
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PORTADORES DE CARGA
En los semiconductores, los electrones y loshuecos son los portadores de carga.
Los ms abundantes son llamadosPortadores mayoritarios. En los
semiconductores tipo N son los electrones,y en los tipo P son los huecos.
Los portadores de carga menos abundantesson llamados Portadores Minoritarios; ensemiconductores tipo N corresponde a los
huecos y en los semiconductores tipo P alos electrones
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MOSFET o IGFET
MOS: Metal Oxide Semiconductor FET: Field Effect Transistor. FET basado en estructura MOS.
Dispositivo controlado por voltaje. Alta velocidad de conmutacin(nano seg)
Alta impedancia entrada.(>40 Megohmios).
Dispositivos de portadores mayoritarios.
No presenta ruptura secundaria Buena estabilidad trmica
Fcil puesta en paralelo sin resistencia deecualizacion.
Resistencia considerable en zona hmica
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MOSFET o IGFET
MOSFET: Sustrato de material semiconductor dopado en elque, por tcnicas de difusin de dopantes, se crean dos islasde tipo opuesto separadas por un rea sobre la cual seensancha una capa dielctrica rematada por una capaconductora.
Dispositivo Unidireccional. Bloqueo de voltaje directo superior a 1000V. No bloquea voltaje inverso. Existen dos tipos de MOSFET: 1. De enriquecimiento (The Enhacement IGFET). 2. De empobrecimiento (The Depletion IGFET). Segn la clase de dopaje ambos tipos de MOSFET se
clasifican en: Canal N o NMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n. Canal P o PMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
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MOSFET O IGFET
, +, +, +, +
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NOMENCLATURA DEL MOSFET
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MOSFET O IGFET
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MOSFET O IGFET
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MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO
(The Enhancement MOSFET)
MOSFET de enriquecimientoCanal N, no tiene un canalfsico. Si VGS es positivo, un voltaje inducido atraer loselectrones del substrato P y los almacenar en la superficiepor debajo de la capa de xido. Si VGS es mayor o igual aun voltaje conocido como voltaje de umbral, VT, seacumular un nmero suficiente de electrones para formarun canal virtual N y la corriente (ID) fluir del drenaje ala fuente.
Si es un MOSFET de enriquecimiento canal P, se invierten laspolaridades de VDS, IDS y VGS
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MOSFET DE AGOTAMIENTO
(The Dep letion MOSFET)
Un MOSFETtipo agotamiento de canal N, se forma en unsubstrato de silicio tipo P con dos silicios N+ fuertementedopados para tener conexiones de baja resistencia. Lacompuerta est aislada del canal mediante capa de xido.
3 terminales: Compuerta, drenaje y fuente. Normalmente el substrato se conecta a la fuente. El voltaje
entre compuerta fuente, VGS, puede ser positivo o negativo; sies negativo algunos electrones del rea del canal N sernrepelidos y se crear una regin de agotamiento por debajo dela capa de xido, que resultar en un canal efectivo ms angostoy en una alta resistencia de drenaje a fuente, RDS.
Si VGS se hace suficientemente negativo, el canal se
agotar totalmente, ofreciendo un alto valor RDS, y nohabr flujo de drenaje a fuente, IDS = 0. Cuando esto ocurreal VGS se le conoce como voltaje de estrechamiento Vp.
Si VGS se hace positivo, el canal se ensancha, e IDSaumenta debido a la reduccin de RDS.
Con un MOSFET tipo agotamiento de canal P se invierten las
polaridades de VDS, IDS y VGS.
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e
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MOSFET DE DEPLEXION O
EMPOBRECIMIENTO
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MOSFET DE ACUMULACION O
ENRIQUECIMIENTO
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SIMBOLOGIA PARA LOS MOSFET
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POLARIZACION DE MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO
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POLARIZACION DE MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO
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SENTIDO DE POLARIZACION DE MOSFET
EMPOBRECIMIENTO1. Existe continuidad
elctrica entre fuente
y sumidero si no haytensin de puerta.
2. La puerta puedepolarizarse positiva o
negativamente.
ENRIQUCIMIENTO1. No existe continuidad
elctrica entre
sumidero y fuente sintensin de puerta.
2. El sentido depolarizacin de
puerta y sumideroson iguales.
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CARACTERISTICAS ESTATICAS DE UN MOSFET
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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y DE
TRANSFERENCIA DE UN MOSFET
:
= () =
:
= () =
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CARACTERISTICAS DE SALIDA DE UN MOSFET
Las caractersticas de salida se obtienen manteniendoconstante la tensin de puerta y encontrando pares de
valores de . Para formar la familia de curvas se repite
el proceso para valores distintos de .
Para los MOSFET de Empobrecimiento existen curvas para
valores positivos y negativos de tensin de puerta. Y para los
de Enriquecimiento la curvas solo son para valores positivos
de tensin de puerta.
Cuando < El MOSFET responde como una
resistencia de silicio, creciendo casi lineal con .
Cuando || se acerca a | | la resistencia del canal
aumenta y la relacin entre es cada vez menos lineal.
Cuando || > , El MOSFET estar en la regin
de saturacin, trabajar en la regin normal de las
caractersticas y la se hace casi independiente de . La
poca dependencia se debe al efecto campo elctrico
longitudinal el cual aumenta con .
Si Excede un determinado se produce la ruptura por
avalancha y, crecer sbitamente, condicin que debe
evitarse
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CARACTERISTICAS DE SALIDA DE UN MOSFET
EMPOBRECIMIENTO ENRIQUECIMIENTO
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CURVA DE SALIDA
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CARACTERISTICAS DE SALIDA DE UN
MOSFET
La pendiente de la zona de trabajo de la caracterstica desalida es una medida de la admitancia de salida que est
definida como:
=
.
El reciproco de la admitancia de salida es la impedancia desalida, que depende de ,
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CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA
DE UN MOSFET
Las caractersticas de transferencia se obtienen manteniendoconstante la tensin drenador fuente y encontrando
pares de valores de .
Estas caractersticas indican el control que ejerce sobre la
corriente y tensin de salida.
Para baja frecuencia (1Khertz) se tiene la transadmitancia
directa de dispositivo o transconductancia directa o
conductancia mutua .
O sea a 1Khertz se tiene = =
=
( )
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CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA DE
UN MOSFET
IGFET ENRIQUECIMIENTO IGFET EMPOBRECIMIENTO
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MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO
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MOSFET B DE EMPOBRECIMIENTO
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CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA DEUN MOSFET
EMPOBRECIMIENTO
1. El VT (voltaje umbral) esla tensin de puerta
necesaria para reducir acero corriente dedrenador o sumidero ID
ENRIQUCIMIENTO
1. Puede aplicarse unapequea tensin menor a
VT
(voltaje umbral) sinque aparezca corriente dedrenador o sumidero ID
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CIRCUITOS EQUIVALENTES DE UN
IGFET
PARA BAJS FRECUENCIASSUPERPUESTO A LAESTUCTURA FISCA
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CIRCUITO EQUIVALENTE USUAL
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FUENTE COMUN
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SUMIDERO COMUN
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PUERTA COMUN
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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y REGION SEGURA
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AMPLIFICADOR CON MOSFET DEENRIQUECIMIENTO
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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y RECTA DE CARGA
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CARACTERISTICAS DE SAL IDA Y RECTA DE CARGA
El valor de la resistencia de carga se escoge de tal forma
que la recta de trabajo dibujada sobre las caractersticas de
salida pase por los puntos = = y adems,
que corte la lnea donde = para una aproximadamente igual a la mitad del valor de la corriente de
sumidero mxima permisible.
La pendiente de la recta de carga: =
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PARAMETROS MAS SIGNIFICATIVOS DEL MOSFET
DE ENRIQUECIMIENTO
ID(on)
VGS(on)
VDS(on)
RDS(on)
Vt=VGS th
Valores suministrados por el fabricantecorrespondientes al punto ON defuncionamiento, que normalmente se tomael de mxima conduccin del transistor,
cuando trabaja como interruptor
Tensin de umbral, mnima necesaria parala conduccin del canal
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= ( ) : || > ||
Las intensidades de corriente de saturacin para cada
se llaman , y satisfacen: = (
)
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Al incrementar la tensin VDS se
crea un gradiente de voltaje en elinterior del canal
El canal sufre una deformacinprogresiva y hace a la RDS noconstante
Finalmente, para una tensinVDS=VDS sat, el canal se estrangulapor el lado del drenador,saturndose, y manteniendoconstante la ID
VDS sat = VGS - Vt
MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO
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PARAMETROS MAS SIGNIFICATIVOS DEL MOSFET DEEMPOBRECIMIENTO
IDSS=IDSo
VDSsat
Vt=VGS th
RDS(on)
Tensin de umbral, VGS que corta el canal o la mnima
necesaria para la conduccin del canal
Corriente de saturacin para VGS=0
Tensin VDS necesaria para entrar en saturacin para VGS=0
Resistencia del canal para la mxima conduccin del transistor
VDS sat = VGS - Vt
Las ecuaciones de funcionamiento en la zona de saturacin son las
mismas que las del transistor JFET:
2
1
Vt
VII
GS
DSoDSsat
-
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Si VGS es positiva el canal se enriquecede electrones y aumenta la conduccin.Se comporta como el MOSFET de
enriquecimiento.Si VGS es negativa el canal se vaca deelectrones disminuyendo la intensidadde drenador se comporta como un JFETde canal N.
2
1
Vt
VII
GS
DSoDSsat
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MOSFET DOBLE
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ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOSFET
Estado de corte: Tensin de puerta es idntica a la del sustrato,no fluye corriente entre fuente y drenador aunque se aplique unadiferencia de potencial entre ambos.
Conduccin lineal: Puerta con polarizacin negativa para canalP (PMOS) o positiva para canal N (NMOS), se crea una zona dedeplexin en la regin que separa la fuente y el drenador. Si estatensin se incrementa lo suficiente, aparecern portadores
minoritarios (electrones en canal P, huecos en canal N) en laregin de deplexin que darn lugar a un canal de conduccin.Circulara corriente entre fuente y drenador.
El MOSFET se comportar como una resistencia controlada por latensin de puerta.
Saturacin: Si la tensin entre drenador y fuente supera ciertolmite, el canal de conduccin bajo la puerta desaparece porestrangulamiento. La corriente entre fuente y drenador no seinterrumpe, porque es debida al campo elctrico entre ambos,pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre losdos terminales.
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MOSFET COMO INTERRUPTOR
En esencia, un MOSFET es un interruptor que se activa electrnicamente. Si el voltaje aplicado a la puerta est por debajo del umbral, el interruptor
se abre (Corte).
Si el voltaje aplicado a la puerta est por encima del umbral, el interruptorse cierra (Saturacin).
Un MOSFET puede estar normalmente cerrado (Tipo empobrecimiento).
Un MOSFET puede estar normalmente abierto (Tipo enriquecimiento) El MOSFET puede ser utilizado como amplificar seal elctrica. Existen
amplificadores de potencia basados en MOSFET.
La distancia entre placas del capacitor de G es de algunos pocos micrones loque hace al G sumamente frgil a tensiones estticas. Por ello se obtienenlos mejores resultados de los MOSFET evitando las tensiones estticas
excesivas.
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MOSFET COMO INTERRUPTOR
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ENCENDIDO DE LAMPARA
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MANEJO DE UN MOTOR DC
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MOSFET ENRRIQUECIMIENTO CANAL P
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CONTROL DE GIRO MOTOR DC
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CIRCUITO TIPICO DE COMPUERTA
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PUENTE H CON MOSFET
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ESPECIFICACIONES DE UN MOSFET
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CARACTERISTICAS DE TRABAJO
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ESPECIFICACIONES DE UN MOSFET
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ESPECIFICACIONES DE UN MOSFET
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IMPEDANCIA TERMICA POR TRANSIENTE
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TIEMPOS DE CONMUTACION
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EJERCICIO
EJERCICIOS
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EJERCICIOS
Si presenta un voltaje bajo, la salida
ser igual a (20 v)
Si presenta un voltaje alto, el MOSFET
inferior se comportar como una
resistencia() = .
Y = () =
+() ()
=
+ =
-
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EJERCICIOS
Si presenta un voltaje bajo, la salida
ser igual a (10 v)
Si presenta un voltaje alto, el MOSFETinferior se comportar como una
resistencia() = .
Y = () =
+() ()
=
+ =
-
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EJERCICIOS
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EJERCICIOS
Calcule Para un MOSFET con las siguientescaractersticas: () = , () = .
Calcule ()Para un MOSFET con las siguientes
caractersticas: () = () = .
Un MOSFET que se encuentra en la regin hmica, tiene una
() = . Si la corriente de drenador ()= 100mA.
Calcule la tensin . Resp: 0.2 V
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EJERCICIOS
Para el circuito de la figura:
Calcule para cada una de las posiciones del
interruptor de gate si:
() = ,
() =
() = ,
() =
() =
() =
Respuesta: 20V y 0,5V
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EJERCICIOS
Respuesta: 15V y 0,23V
EJERCICIOS
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EJERCICIOS
En el siguiente circuito tome los dos MOSFET comoidnticos. Segn las caractersticas de salida mostradas:
Cul es el voltaje de compuerta para que Q2 trabaje en la
regin hmica?
Calcule() para Q2, sabiendo que para Q2 nunca
sobrepasa 3V cuando el conmutador este en alto.
Cul es el valor de para Q1si =
Cul es el valor de para una =2mA cuando el
conmutador est en alto.
Calcule la tensin de salida para ambas posiciones del
conmutador.
Respuestas:) = . )() = . ) = ,. ) = ,.
) = ,,
-
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EJERCICIOS
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EJERCICIOS
() = =
.
: ,
EJERCICIOS
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EJERCICIOS
El MOSFET de la figura es de enriquecimiento canal N y
tiene () = () = ..
Qu valor debe tener la resistencia R para que cuando se
apague la luz del recinto se encienda automticamente la
lmpara?Respuesta: =
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EJERCICIOS
Tome los datos del transistordados en el ejercicio anterior.La lmpara alcanza su mximobrillo cuando el transistorMOSFET entra en la regin
hmica. Calcule el valor de Cpara que el mximo brillo selogre en 15 segundosaproximadamente.
Respuesta: C=13,65F.
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Ejercicio
.: = ,, =
, = = , = ., =
-
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:
= =
: = ( )
=
( , )
= + + = + +
= + + = () + =
( , )
=
Ejercicio
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, =
,
, = ,
(,)() + , =
, (,) + , = ,
,() + , = ,
+ ,() + , = ,
+ ,() + , = ,
+ , + , = ,
+ , + , = , , + ,
() =
Ejercicio
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:
:
= , ,
: = ,
: = ,
: = ( )
=
(, , )
=
(, ) =
(, )
= ,
Ejercicio
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EJERCICIOS
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EJERCICIOS
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MPT50N05E
SMM70N06
MTW10N100ESFF10N100N
CIRCUITO CEKIT
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CIRCUITO CEKIT
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IGBT
IG: Insulated Gate.BT: Bipolar transistor.
IGBT
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IGBT
IG: Insulated Gate.BT: Bipolar transistor. Consiste en un transistor bipolar con compuerta aislada. Dispositivos de portadores minoritarios Baja disipacin de calor. Circuito de control sencillo Soporta grandes picos de corriente elevados Han desplazado a los MOSFET y BJT Baja tensin colector emisor en plena conduccin Tiene limitaciones de funcionamiento dentro de SOA idnticas
al MOSFET:
Corriente mxima directa Temperatura de unin mxima usualmente 150C VDSM depende de la tensin de ruptura del transistor PNP. Los datos tcnicos siguen nomenclatura similares a los BJT y
MOSFET
IGBT
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IGBT
Combina las ventajas del BJT y el MOSFET. Tiene alta impedancia de entrada, como un MOSFET, y pocas
perdidas por conduccin en estado activo, como los BJT. No tiene problemas por avalancha secundaria, como los BJT. Tiene menores perdidas de conmutacin que un BJT y es ms
rpido.
Presenta menores perdidas por conduccin que un MOSFET.
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SIMBOLOS DE IGBT
SIMBOLO DE IGBT
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SIMBOLO DE IGBT
MODELOS EQUIVALENTES DEL IGBT
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MODELOS EQUIVALENTES DEL IGBT
CIRCUITO CON IGBT
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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y TRANSFERENCIA
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C C S C S S S CDEL IGBT
OPERACIN DE UN IGBT
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OPERACIN DE UN IGBT
Dependiendo de su polaridad existen IGBT NPN o PNP.
Consideremos un circuito equivalente NPN.
Si VGE = 0, El IGBT esta cortado.
A medida que se incrementa VGE(positivamente) y se supera elvoltaje umbral VGE(th) el IGBT entra en conduccin permitiendo lacirculacin de corriente de colector (IC). A partir de esemomento una pequea variacin en la tensin de compuertacausa un gran incremento en la corriente de colector.
Existe un VGE para el cual el IGB se satura.
CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL IGBT
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CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL IGBT
IGBT
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IGBT
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IGBT
IGBT
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IGBT
ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO DEL IGBT
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Existen cuatro condiciones de polarizacin posibles. Dependiendo delsentido o signo de los voltajes de polarizacin en cada una de lasuniones del transistor pueden ser :
Estado Regin activa directa: Corresponde a polarizacin directa de launin emisor - base y a una polarizacin inversa de la unin colector- base. Esta es la regin de operacin normal del transistor paraamplificacin.
Estado Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacin inversade la unin emisor - base y a una polarizacin directa de la unincolector - base. Esta regin es usada raramente.
Estado de corte: Corresponde a una polarizacin inversa de ambasuniones. La operacin en sta regin corresponde a aplicaciones deconmutacin en el modo apagado, pues el transistor acta como un
interruptor abierto (I C =0). Estado de saturacin: Corresponde a una polarizacin directa de
ambas uniones. La operacin en esta regin corresponde aaplicaciones de conmutacin en el modo encendido, pues el transistoracta como un interruptor cerrado (VCE =0).
LOS IGBT
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LOS IGBT
Presentan alta impedancia de entrada y baja resistencia desalida,
Tienen reas de operacin segura muy amplia, no presentan elfenmeno de avalancha trmica,.
Son fciles de controlar porque prcticamente no requieren
corriente de entrada,. Toleran picos de corriente, funcionan bien conectados en
paralelo para aumentar capacidad de manejo de corriente.
Tiene caractersticas de conduccin superiores y actualmenteno son tan rpidos como los MOSFET de potencia, suscaractersticas de conmutacin tienden a ser muy parecidas.
Ofrecen resistencia de conduccin [Rce(on)] tpicamenteinferior a 10m, mucho menor que los MOSFET bajo igualescondiciones de trabajo. Por lo tanto, tiene una mayorcapacidad de corriente, baja disipacin de calor para altascorrientes y alto factor de amortiguamiento con cargasinductivas.
CORRIENTE DE COLA EN IGBT
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CORRIENTE DE COLA EN IGBT
La corriente de cola se presentaporque la conmutacin del BJTes ms lenta, debido a la cargade huecos en la regin n-almacenada en su base.
Provoca prdidas considerablescon corriente relativamente altay tensin muy elevada adems,limita la frecuencia defuncionamiento.
SIT o STATIC INDUCTION TRANSISTOR
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SIT o STATIC INDUCTION TRANSISTOR
SIT = STATIC INDUCTION TRANSISTOR.
Dispositivo de alta potencia y alta frecuencia (Microondas y amplificadoresde Audio, de DHF/UHF)
Alta capacidad de potencia en audiofrecuencias.
Capacidad de corriente 300A a los 1200 Volt.
Baja resistencia en serie de compuerta.
Baja capacitancia compuerta fuente Baja Resistencia trmica.
Bajo ruido.
Baja distorsin
Tiempos de activacin y desactivacin menor de 0.25 microsegundos)
Debido al incremento exponencial de la corriente como respuesta de la
disminucin de la barrera, las caractersticas de salida del SIT son nosaturadas.
Es similar al JFET.
El SIT es un dispositivo importante porque entrega potenciaextremadamente alta por unidad de rea.
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Desventajas: Alta cada de voltaje en estado activo,
(tpicamente de 90v para dispositivo de 180 A y de 18V para unode 18 A).
Limitada aplicacin en conversiones de potencia.
SIT o STATIC INDUCTION TRANSISTOR
SIMBOLO DEL SIT
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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL SIT
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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL SIT
CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL SIT
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SID o DIDO SITSITL SITL
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y SITL o SITL(Static Induction Transistor Logic)
PROTECCION DE UN BJT POR SIT
(SATURACION)
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(SATURACION)
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