Material Extra Mosfets
10
1 Lección 5 EL MOSFET DE POTENCIA Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación Universidad de Oviedo EL MOSFET DE POTENCIA • 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” G D S Canal N Conducción debida a electrones D G S Canal P 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 Ideas generales sobre el transistor de Efecto de Campo de Metal-Óxido- Semiconductor • Curvas características del MOSFET EL MOSFET DE POTENCIA I D [mA] V DS [V] 4 2 4 2 6 0 - Curvas de salida - Curvas de entrada: No tienen interés (puerta aislada del canal) V GS < V TH = 2V V GS = 2,5V V GS = 3V V GS = 3,5V V GS = 4V V GS = 4,5V Referencias normalizadas + - V DS I D + - V GS G D S Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación EL MOSFET DE POTENCIA V DS [V] I D [mA] 4 2 8 4 12 0 V GS = 2,5V V GS = 3V V GS = 3,5V V GS = 4V V GS = 4,5V V GS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V Comportamiento resistivo V GS < V TH = 2V < 4,5V Comportamiento como circuito abierto 10V + - V DS I D + - V GS 2,5KW G D S • Zonas de trabajo Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación Comportamiento como fuente de corriente (sin interés en electrónica de potencia)
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1
Leccin 5
EL MOSFET DE POTENCIA
Sistemas Electrnicos de Alimentacin
5 Curso. Ingeniera de Telecomunicacin
Universidad de Oviedo
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
El nombre hace mencin a la estructura interna: Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)
Es un dispositivo unipolar: la conduccin slo es debida a un tipo
de portador
Los usados en Electrnica de potencia son de tipo acumulacin
G
D
S Canal N
Conduccin debida
a electrones
D
G
S Canal P
Conduccin
debida a huecos
Los ms usados son los MOSFET de canal N
La conduccin es debida a los electrones y, por tanto, con mayor
movilidad menores resistencias de canal en conduccin
Ideas generales sobre el transistor de Efecto de Campo de Metal-xido-
Semiconductor
Curvas caractersticas del MOSFET
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
ID [mA]
VDS [V]
4
2
4 2 6 0
- Curvas de salida
- Curvas de entrada:
No tienen inters (puerta aislada del canal)
VGS < VTH =
2V
VGS = 2,5V
VGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
Referencias normalizadas
+
- VDS
ID
+
- VGS
G
D
S
Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulacin
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
VDS [V]
ID [mA]
4
2
8 4 12 0
VGS = 2,5V
VGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V
Comportamiento resistivo
VGS < VTH = 2V < 4,5V
Comportamiento como circuito abierto
10V
+
- VDS
ID
+
- VGS
2,5KW
G
D
S
Zonas de trabajo
Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulacin
Comportamiento como fuente de corriente
(sin inters en electrnica de potencia)
-
2
G
D
S
D S G
+
P-
Substrato
N+ N+
Precauciones en el uso de transistores MOSFET
- El terminal puerta al aire es muy sensible a los ruidos
- El xido se puede llegar a perforar por la electricidad esttica de
los dedos. A veces se integran diodos zener de proteccin
- Existe un diodo parsito entre fuente y drenador en los MOSFET
de enriquecimiento
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Ideas generales sobre los MOSFETs
G
D
S
Estn 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 fcilmente
Algunas celdas posibles
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Estructura de los MOSFETs de Potencia
Puerta
Drenador
Fuente
n+
n- p
n+ n+
Estructura planar
(D MOS)
Estructura en
trinchera
(V MOS)
Drenador
n+
n- p n+
Puerta Fuente
En general, semejantes a los de los diodos de potencia (excepto los
encapsulados axiales)
Existe gran variedad
Ejemplos: MOSFET de 60V
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Encapsulados de MOSFETs de Potencia
RDS(on)=9,4mW, ID=12A RDS(on)=12mW, ID=57A
RDS(on)=9mW, ID=93A RDS(on)=5,5mW, ID=86A RDS(on)=1.5mW, ID=240A
Otros ejemplos de MOSFET de 60V
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Encapsulados de MOSFETs de Potencia
RDS(on)=3.4mW, ID=90A
-
3
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Caractersticas fundamentales de los MOSFETs de potencia
1 -Mxima tensin drenador-fuente
2 -Mxima corriente de drenador
3 -Resistencia en conduccin
4 -Tensiones umbral y mximas de puerta
5 -Velocidad de conmutacin
1 Mxima tensin drenador-fuente
Corresponde a la tensin de ruptura de la unin que forman el substrato (unido a
la fuente) y el drenador.
Se mide con la puerta cortocircuitada a la fuente. Se especifica a qu pequea
circulacin de corriente corresponde (por ejemplo, 0,25 mA)
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
1 Mxima tensin drenador-fuente
Baja tensin
15 V
30 V
45 V
55 V
60 V
80 V
Media tensin
100 V
150 V
200 V
400 V
Alta tensin
500 V
600 V
800 V
1000 V
Ejemplo de
clasificacin
La mxima tensin drenador-fuente de representa como VDSS
o como V(BR)DSS
Ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potencia
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
2 Mxima corriente de drenador
El fabricante suministra dos valores (al menos):
- Corriente continua mxima ID
- Corriente mxima pulsada IDM
La corriente continua mxima ID depende de la
temperatura de la cpsula (mounting base aqu)
A 100C, ID=230,7=16,1A
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
3 Resistencia en conduccin
Es uno de los parmetro ms importante en un MOSFET.
Cuanto menor sea, mejor es el dispositivo
Se representa por las letras RDS(on)
Para un dispositivo particular, crece con la temperatura
Para un dispositivo particular, decrece con la tensin de
puerta. Este decrecimiento tiene un lmite.
Drain-source On Resistance, RDS(on) (Ohms)
-
4
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
3 Resistencia en conduccin
Comparando distintos dispositivos de valores de ID semejantes,
RDS(on) crece con el valor de VDSS
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
3 Resistencia en conduccin
En los ltimos tiempos se han mejorado sustancialmente los valores
de RDS(on) en dispositivos de VDSS relativamente alta (600-1000 V)
MOSFET de los aos 2000
MOSFET de 1984
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
4 Tensiones umbral y mximas de puerta
La tensin puerta fuente debe alcanzar un valor umbral para que
comience a haber conduccin entre drenador y fuente
Los fabricantes definen la tensin umbral VGS(TO) como la tensin
puerta-fuente a la que la corriente de drenador es 0,25 mA, o 1 mA
Las tensiones umbrales suelen estar en el margen de 2-4 V
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
4 Tensiones umbral y mximas de puerta
La tensin umbral cambia con la temperatura
-
5
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
4 Tensiones umbral y mximas de puerta
La mxima tensin soportable entre puerta y fuente es
tpicamente de 20V
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Los MOSFET de potencia son ms rpidos que otros dispositivos
usados en electrnica de potencia (tiristores, transistores bipolares,
IGBT, etc.)
Los MOSFET de potencia son dispositivos de conduccin unipolar. En
ellos, los niveles de corriente conducida no estn asociados al aumento
de la concentracin de portadores minoritarios, que luego son difciles de
eliminar para que el dispositivo deje de conducir
La limitacin en la rapidez est asociada a la carga de las capacidades
parsitas del dispositivo
Hay, esencialmente tres:
- Cgs, capacidad de lineal
- Cds, capacidad de transicin Cds k/(VDS)1/2
- Cdg, capacidad Miller, no lineal, muy importante
S
D
G
Cdg
Cgs
Cds
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Los fabricantes de MOSFET de potencia suministran informacin de
tres capacidades distintas de las anteriores, pero relacionadas con ellas:
- Ciss = Cgs + Cgd con Vds=0 ( capacidad de entrada)
- Crss = Cdg (capacidad Miller)
- Coss = Cds + Cdg ( capacidad de salida)
Ciss
Coss
S
D
G
Cdg
Cgs
CdsS
D
GS
D
G
D
GG
CdgCdg
CgsCgs
CdsCdsS
D
G
Cdg
Cgs
CdsS
D
GS
D
G
D
GG
CdgCdg
CgsCgs
CdsCds
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Ejemplo de informacin de los fabricantes
Ciss = Cgs + Cgd
Crss = Cdg
Coss = Cds + Cdg
-
6
V1 R
C
Carga y descarga de un condensador desde una resistencia
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
La carga y la descarga de estas capacidades parsitas generan
prdidas que condicionan las mximas frecuencias de conmutacin
de los MOSFET de potencia
En la carga de C:
- Energa perdida en R = 0,5CV12
- Energa almacenada en C = 0,5CV12
En la descarga de C:
- Energa perdida en R = 0,5CV12
Energa total perdida: CV12 = V1QCV1
Adems, en general estas capacidades parsitas retrasan las
variaciones de tensin, ocasionando en muchos circuitos convivencia
entre tensin y corriente, lo que implica prdidas en el proceso de
conmutacin EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Anlisis de una conmutacin tpica en conversin de energa:
- Con carga inductiva
- Con diodo de enclavamiento
- Suponiendo diodo ideal
Cdg
Cgs
Cds V1 R
V2
IL
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Situacin de partida:
- Transistor sin conducir (en bloqueo) y diodo en conduccin
- Por tanto:
vDG = V2, vDS = V2 y vGS = 0
iDT = 0 y iD = IL
+
-
vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
Cds V1 R
V2
IL
iDT
iD
B
A
- En esa situacin, el
interruptor pasa de B a A
+
-
+
-
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin iDT = 0 hasta que vGS = VGS(TO)
vDS = V2 hasta que iDT = IL
+
-
vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
Cds V1 R
V2
IL
iDT
iD
B
A
VGS(TO)
vDS
iDT
vGS BA
IL
Pendiente determinada
por R, Cgs y por Cdg(V2)
+
- +
-
+
-
-
7
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin La corriente que da V1 a travs de R se
emplea fundamentalmente en descargar
Cdg prcticamente no circula
corriente porCgs vGS = Cte
+
-
vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
Cds V1 R
V2
IL
iDT
B
A
VGS(TO)
vDS
iDT
vGS BA
IL
+
-
+
-
+
- E
L M
OS
FE
T D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin Cgs y Cdg se continan
VGS(TO)
vDS
iDT
vGS BA
IL
+
-
vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
Cds V1 R
V2
IL
iDT
B
A
+
-
V1
Constante de tiempo determinada
por R, Cgs y por Cdg(V1)
+
-
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Valoracin de prdidas entre t0 y t2:
- Hay que cargar Cgs (grande) y
descargar Cdg (pequea) VM voltios
- Hay convivencia tensin corriente
entre t1 y t2
iDT
+
-
vDS
vGS
+
-
Cdg
Cgs Cds
V2 +
-
+
-
+
-
iDT
t0 t1 t2 t3
VGS(TO)
vDS
iDT
vGS BA
IL
V1
VM
PVI
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Valoracin de prdidas entre t2 y t3:
- Hay que descargar Cds hasta 0 e
invertir la carga de Cdg desde V2-VM
hasta -VM
- Hay convivencia tensin corriente
entre t2 y t3
V1
VM
t0 t1 t2 t3
VGS(TO)
vDS
iDT
vGS BA
IL
PVI
iDT = IL
+
-
vDS
vGS
+
-
Cdg
Cgs Cds +
-
+
-
+
- IL
iCds
iCdg+iCds+IL
iCdg
-
8
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Valoracin de prdidas a partir de t3:
- Hay que acabar de cargar Cgs y Cdg
hasta V1
- No hay convivencia tensin
corriente salvo la propia de las
prdidas de conduccin
t0 t1 t2 t3
VGS(TO)
vDS
iDT
vGS BA
IL
PVI
V1
VM
iDT = IL
+
-
vDS
vGS
+
-
Cdg
Cgs Cds +
-
+
-
IL
iCdg
iL
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Valoracin de la rapidez de un dispositivo por la carga
de puerta:
- La corriente que da la fuente V1 es aproximadamente
constante entre t0 y t3 (comienzo de una exponencial,
con IV1 V1/R)
- De t0 a t2, la corriente IV1 se ha encargado
esencialmente en cargar Cgs. Se ha suministrado una
carga elctrica Qgs
- De t2 a t3, la corriente Iv1 se ha encargado en invertir la
carga de Cdg. Se ha suministrado una carga elctrica Qdg
- Hasta que VGS = V1 se sigue suministrando carga. Qg
es el valor total (incluyendo Qgs y Qdg)
- Para un determinado sistema de gobierno (V1 y R),
cuanto menores sean Qgs, Qdg y Qg ms rpido ser el
transistor
- Obviamente t2-t0 QgsR/V1, t3-t2 QdgR/V1 y PV1 =
V1QgfS, siendo fS la frecuencia de conmutacin
vGS
iV1
t0 t2 t3
V1
iV1 R
Qgs
Qdg
Q
g
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Valoracin de la rapidez de un dispositivo por la carga de puerta:
Informacin de los fabricantes
IRF 540
MOSFET de los aos 2000
BUZ80 MOSFET de 1984
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Otro tipo de informacin suministrada por los
fabricantes: conmutacin con carga resistiva
VDS VGS
10%
90%
tr td on tf td off
td on : retraso de encendido
tr : tiempo de subida
td off : retraso de apagado
tf : tiempo de bajada
+
- vDS
iDT
+
- vGS
G
D
S +
RG
RD
-
9
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
5 Velocidad de conmutacin
Otro tipo de informacin suministrada por los
fabricantes: conmutacin con carga resistiva
IRF 540
td on : retraso de encendido
tr : tiempo de subida
td off : retraso de apagado
tf : tiempo de bajada
+
- vDS
iDT
+
- vGS
G
D
S +
RG
RD
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Prdidas en un MOSFET de potencia
Prdidas por convivencia tensin corriente entre drenador y fuente
vDS
iDT
vGS
PVI
Prdidas en
conduccin
Prdidas en conmutacin
Pcond = RDS(on)iDT(rms)2
Won
Woff
Pconm = fS(won + woff)
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Prdidas en un MOSFET de potencia
Prdidas en la fuente de gobierno
vGS
iV1
t0 t2 t3
Qgs
Qdg
Q
g
PV1 = V1QgfS
V1
iV1
R
Circuito terico
V1
iV1
RB
Circuito real
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
El diodo parsito de los MOSFETs de potencia
El diodo parsito suele tener malas caractersticas, sobre
todo en MOSFETs de alta tensin
G
D
S
IRF 540
-
10
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
El diodo parsito de los MOSFETs de potencia
El diodo parsito en un MOSFET de alta tensin
EL
MO
SF
ET
D
E P
OT
EN
CIA
Caractersticas trmicas de los MOSFETs de potencia
Es vlido todo lo comentado para los diodos de potencia
Este fabricante denomina mounting base a la cpsula
y suministra informacin de la RTHja = RTHjc + RTHca
