Transistores MOSFET como interruptores de potencia

Los transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) son utilizados masivamente como conmutadores gracias a sus características de tamaño, facilidad de uso y bajo consumo de energía, lo cual los convierte en el ladrillo constructor de los circuitos integrados digitales de hoy en día, estando presentes en prácticamente todos los dispositivos electrónicos, según lo mencionado por Brews 2000 [6]. Dichas características también los hacen idóneos para aplicaciones de potencia, en que se requiere gran capacidad de corriente y conmutaciones veloces.

Figura 2.5: Representación de un transistor MOSFET canal N.

Un MOSFET es un dispositivo semiconductor de tres terminales denominados fuente (source), compuerta (gate) y drenador (drain) como se describe en Brews 2000 [6]. La representación de la Figura 2.5 muestra la conformación general de un ejemplar canal N, el cual se construye sobre un sustrato semiconductor con dopaje tipo P, en que se crean, mediante difusión, dos zonas con dopaje n+. Sobre la región que se encuentra entre ellas se ubica la compuerta, un contacto eléctrico aislado del semiconductor por medio de una capa de óxido de silicio. Típicamente, el sustrato se cortocircuita a la fuente.

Al aplicar un voltaje positivo entre la fuente y la compuerta no se produce conducción entre ellos, pues la compuerta está físicamente aislada del semiconductor. Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en la compuerta (respecto a la fuente, que está cortocircuitada con el sustrato), se produce una acumulación de electrones producto de la atracción eléctrica generada por esta diferencia de potencial. Si este voltaje es lo suficientemente grande, la acumulación de electrones forma un canal que une ambas zonas de tipo N, donde los portadores mayoritarios son los electrones, permitiendo así la conducción eléctrica entre el drenador y la fuente. Es claro que al quitar el voltaje entre la compuerta y la fuente (VGS), la conducción desaparece inmediatamente al desaparecer el canal.

De lo anterior se deduce que el tamaño del canal dependerá fuertemente del nivel de tensión aplicado a la compuerta, ya que mientras mayor sea, más electrones habrá en el canal, condicionando así la corriente que puede circular. Además, existe un efecto capacitivo de influencia no menor en muchos casos, producto de la aislación con óxido de silicio, el cual puede ser crítico para alcanzar conmutaciones rápidas.

Estas características le dan al MOSFET su excelente desempeño en cuanto a velocidad de conmutación y bajas pérdidas, pero hacen necesario el estudio de los fenómenos involucrados para el diseño de un adecuado circuito de encendido.

Resistencia de Conducción

Al estar encendido, el MOSFET presenta un comportamiento resistivo entre el drenador y la fuente, el cual se define por el parámetro RDS, cuyo valor varía según las condiciones de operación.

Figura 2.6: Características de salida del transistor IXTH130N10T [7]

La Figura 2.6 muestra la relación entre la corriente de drenador (ID) y el voltaje entre el drenador y la fuente (VDS) del transistor IXTH130N10T de IXYS Corporation [7], para diferentes valores de tensión en la compuerta (VGS). La pendiente de la curva define la resistencia RDS. Para un valor dado de VGS se observa un comportamiento lineal, es decir resistivo, hasta el punto en que el canal formado se ocupa a plena capacidad, limitando la corriente y aumentando la potencia disipada por el transistor.

Debido a lo anterior, es fundamental la aplicación de una tensión de compuerta apropiada para la corriente que se requiere, de modo de minimizar las pérdidas de conducción.

Otro factor a considerar, para determinar las tensiones usadas en los disparos de un MOSFET, es el voltaje de umbral en la compuerta. Dicho umbral corresponde a la tensión mínima necesaria para formar el canal, por lo que una señal de apagado debe estar bajo este umbral y una de encendido sobre el mismo.

Velocidad de Conmutación

Las capacidades parásitas presentes entre la compuerta y los otros dos terminales del transistor condicionan la velocidad de encendido, ya que para alcanzar la diferencia de potencial capaz de formar el canal deseado, es necesario entregar una cierta cantidad de carga. El tiempo que tarde en acumularse dicha carga determinará el tiempo de conmutación del MOSFET.

Figura 2.7: Carga de la compuerta del transistor IXTH130N10T [7]

En la Figura 2.7 se muestra la tensión de compuerta alcanzada según la cantidad de carga entregada para un transistor en particular. Dicho valor se vincula con la velocidad de conmutación a través de la siguiente relación:

luego, para alcanzar cierto nivel de carga (QG) en un intervalo definido de tiempo (Δt), el circuito de encendido debe ser capaz de entregar una corriente de conmutación (Icon) tal que se cumpla la ecuación.

Una vez alcanzado el voltaje deseado en la compuerta, no se requiere más flujo de corriente para mantener el canal, exceptuando pequeñas corrientes de fuga, debido a la aislación eléctrica del óxido de silicio.

Para cumplir con estas especificaciones, existe en el mercado una gran variedad de circuitos de disparo o drivers, los cuales están diseñados para proporcionar estas altas corrientes por pequeños períodos y mantener la tensión de compuerta en un valor apropiado, según lo expuesto por Rashid 2001 [4].

Uso en Paralelo de Transistores MOSFET

En las aplicaciones de potencia, la utilización de transistores MOSFET en paralelo tiene por objetivo distribuir la corriente a través de ellos, reduciendo así las pérdidas de conducción, mejorando las características térmicas y permitiendo el uso de transistores más pequeños y económicos. Sin embargo, es necesario considerar algunos fenómenos que pueden presentarse con esta configuración, capaces de anular sus ventajas o incluso generar una falla importante.

El primer aspecto a tomar en cuenta es el balance de las características eléctricas, tanto de los semiconductores como del circuito del cual forman parte, puesto que, si bien la igualdad de voltajes está asegurada por la conexión en paralelo, esto no es necesariamente cierto durante los transientes, debido a las inductancias parásitas presentes en el circuito que pueden estar desbalanceadas [8].

Durante el apagado, un desbalance en las inductancias en serie de los respectivos dreanadores puede producir diferencias de tensiones importantes, con el consiguiente riesgo de sobretensión en el drenador de uno de los transistores. Debido a lo anterior, es fundamental reducir a un mínimo las inductancias, tanto en los colectores como en las fuentes de los transistores.

Uno de los métodos efectivos para reducir estas inductancias es el uso de un bus laminado, compuesto por sucesivas capas de cobre aisladas entre sí, cada una de las cuales constituye un nodo del circuito de potencia, como se describe en Allocco 1998 [9]. A través de perforaciones correctamente ubicadas y alineadas, se conectan a estas placas los componentes electrónicos, reduciendo al mínimo la inductancia del nodo gracias a la gran superficie de cobre. Adicionalmente, el apilamiento de las láminas favorece un diseño compacto y robusto.

Figura 2.8: Diagrama de conexión para dos transistores en paralelo.

En la Figura 2.8 se muestra un corte transversal de las conexiones para dos MOSFET en paralelo. El número de láminas de cobre dependerá de los nodos directamente conectados a los transistores, en este caso cuatro, pues corresponde a un puente H cuyos nodos son los dos de alimentación y los dos de salida.

Aplicado a la construcción de un puente H, el bus laminado reduce además la inductancia entre el banco de condensadores y los transistores (ver Figura 2.4). Esto contribuye a minimizar las sobretensiones que se pueden generar producto de los cortes abruptos en la conducción de los MOSFET.

Con las inductancias parásitas debidamente manejadas, aún es posible que se presente un comportamiento anómalo al momento del encendido de los transistores. Esto se debe a que la conexión en paralelo puede generar un camino de baja impedancia para una frecuencia de resonancia, determinada por las características de los transistores y sus conexiones, tal como se muestra en la Figura 2.9 [10].

Figura 2.9: Circuito equivalente de dos MOSFET conectados en paralelo. Se muestra el camino de baja impedancia para valores pequeños de resistencia de compuerta.

La existencia de este camino de baja impedancia puede generar oscilaciones parásitas durante el encendido o el apagado, las cuales son de muy alta frecuencia, típicamente en el rango de los 50 MHz a 250 MHz. Dicha oscilación es inaceptable ya que puede causar sobretensiones en la compuerta, emisión de ruido de radio frecuencia, altas pérdidas de conmutación e incluso oscilaciones incontrolables que pueden derivar en la destrucción de los semiconductores [10].

Este fenómeno puede ser de naturaleza sumamente intermitente, dependiendo fuertemente de las condiciones del circuito del cual son parte los transistores, incluso las puntas de prueba pueden eliminarlo, dificultando su detección. Es por esta razón que resulta indispensable considerarlo al momento de diseñar los circuitos de disparo para dispositivos que utilicen esta configuración [10].

El incremento de la resistencia de compuerta para cada transistor (RG1 y RG2 en la Figura 2.9) amortigua eficazmente las oscilaciones. Desafortunadamente esto también reduce la velocidad de las conmutaciones, por lo que es posible que una resistencia capaz de eliminar las oscilaciones genere pérdidas de conmutación inaceptablemente altas.

El uso de un núcleo de ferrita, combinado con una resistencia en cada compuerta, es capaz de eliminar la oscilación minimizando las pérdidas de conmutación, ya que la impedancia del núcleo de ferrita es directamente proporcional a la frecuencia. El ancho de banda de la señal de encendido en la compuerta es de alrededor de 2MHz, mientras que las oscilaciones parásitas usualmente se encuentran entre los 50MHz y los 150MHz. Luego, la impedancia del núcleo de ferrita es de 25 a 125 veces mayor para las oscilaciones parásitas, que para la señal de encendido [10].

6 Comentario a “Transistores MOSFET como interruptores de potencia”

  • quero saver mas sobre el tema transistores mosfet quero com mas graficas para poder entenderlo cracias

  • Estimado Jaime:

    Si deseas saber más sobre los MOSFET y quieres más gráficas para poder entenderlo, busca en Google o en las fuentes que se referencian acá, ese trabajo es tuyo.

    Pero antes de hacer cualquier cosa, te recomiendo leer atentamente los primeros 4 párrafos de este artículo que dan la noción intuitiva de cómo funcionan estos dispositivos. Manejando los conceptos básicos de semiconductores, dopaje y junturas podrás comprenderlo sin problemas.

    Ahora, si tienes una duda puntual o una pregunta que puedas formular como tal, yo encantado intentaré ayudarte, tengo la mejor disposición pero no puedo armar una cátedra en un comentario.

    Saludos

  • Buena tarde apreciado RoMaNo. Tengo un circuito ya practicamente funcionando en un diseño de calentamiento por induccion pero con un inconveniete: Mientras tengo algo en la bobina de trabajo, la corriente se mantiene en alrededor de 9 Amp y se demora mucho en poner al rojo la pieza. Al sacarla un poco de la bobina la corriente sube a unos 12Amp pero me revienta un par de MosFet por el lado de lo Gate. Quiero enviarle el diagrama para que lo revises y me des una posible causa.
    (no sé como adjubntar un pdf.)
    Saludo

  • Hola Henry,

    Evidentemente que no puedo decir mucho sin ver el esquemático del circuito que mencionas, pero tengo la impresión de que hay algún tipo de sobretensión que no se está manejando apropiadamente. Te pido más info por interno.

    Saludos!

    RoMaNo

  • Necesito ayuda con un circuito, es muy simple, pero a pesar de ello no me ha funcionado. Teóricamente aplicando una tensión constante en la puerta del mosfet debería aparecer en la fuente la tensión variable que se presenta en el drenaje, pero eso no ocurre, sino que sigo midiendo en la fuente la tensión fija aplicada a la puerta. ¿Cómo puede ser? El esquema se encuentra en la siguiente página: http://www.circuitstoday.com/sample-and-hold-circuit
    Muchas gracias
    Fabian

    • Estimado Fabián,

      El circuito que mencionas se aleja de lo que se muestra en esta entrada. De todas maneras mirándolo a la rápida tengo algunos comentarios:

      -> Primero que nada entiendo que la mecánica del sample and hold se basa en abrir un switch que permite el flujo de corriente para cargar C1 haciendo que en él quede el voltaje de la entrada, luego al abrir el switch ese voltaje se mantiene constante en condiciones ideales (C1 no se descarga) y Vin puede variar sin afectar la carga de C1 hasta que que se cierre nuevamente el switch. El opamp debiera ser entonces nada más para contar con una salida de baja impedancia con voltaje proporcional al de C1 sin alterar su carga.

      -> Teniendo lo anterior en cuenta, no me queda claro que Q1 actúe como switch tan ideal como lo describe el artículo, sobretodo porque el voltaje de compuerta aplicado debe ser referenciado a la fuente, es decir entre G y S (Vgs) y en el circuito está referenciado a tierra. En ese caso no queda claro dónde está el umbral de formación de canal porque este voltaje depende del voltaje de C1 que es variable (justamente lo que quieres medir). En otras palabras, no es necesariamente verdad que Q1 es un switch cerrado con Vs > 0 y abierto cuando Vs <= 0 como dice el artículo. Ese valor depende de la entrada y del valor anterior muestreado.

      Saludos!

Agregar comentario

Categorías

Enlaces

Estadísticas


eXTReMe Tracker