Search

Curso de Electrónica de Potencia – Parte 4 - MOSFETs de Potencia (CUR2004S)

4.1 - El MOSFET de potencia

Como hemos estudiado ya MOSFET significa Metal-Oxide Semiconductor Field Effet Transistor, o Transistor de Efecto de Campo del Metal-Óxido.

En él, lo que tenemos es una estructura como la que se muestra en la figura 1, donde dos N regiones se forman sobre un sustrato P.

El sustrato forma una delgada película de material aislante constituido por un óxido de metal y en ella se apoya por una región conductora metálica.

 

      Figura 1 - Estructura MOSFET
Figura 1 - Estructura MOSFET

 

 

Este es un transistor de canal N, pero podemos invertir la polaridad de las regiones obteniendo un transistor de canal P.

En el MOSFET descrito, cuando una tensión positiva se aplica al terminal de la puerta, crea en la placa de metal (realmente de silicio policristalino) un campo eléctrico que forma una región N, una clase de canal invertido en el substrato, donde la corriente puede circular entre el dreno y la fuente.

El valor de esta tensión determina la conductividad de esta región y por lo tanto las características de amplificación del dispositivo.

En el caso de un transistor de canal P invertido, es necesario aplicar una tensión negativa a la puerta para que el campo aplicado al sustrato forme una región de conducta.

En la figura 2 tenemos los símbolos adoptados para representar los dos tipos de transistores MOSFETs.

 

   Figura 2 – Símbolos para los MOSFETs de canal N y P.
Figura 2 – Símbolos para los MOSFETs de canal N y P.

 

 

En las regiones N los electrodos están conectados las regiones que serán fuente y dreno. En la placa metálica sobre la región de semiconductores, el electrodo de control al que está conectado a la puerta o gate.

Para el gate o simplemente puerta, el término "puerta" se utiliza mucho incluso en la documentación en español.

El funcionamiento del MOSFET es por lo tanto muy diferente del transistor bipolar común.

El transistor bipolar es un amplificador de corriente típico que opera con portadores de carga mayoritaria. Esto significa que este dispositivo controla la corriente entre el colector y el emisor a partir de una corriente de entrada.

El resultado es un dispositivo de baja impedancia de entrada.

Para el MOSFET la operación está a través portadores de la minoría de la carga.

El MOSFET controla la corriente entre el dreno y la fuente a partir de una tensión de entrada.

El resultado es un dispositivo de impedancia de entrada muy alta.

Para un MOSFET podemos considerar la región que conecta el dreno a la fuente, que es el canal, como una resistencia.

Cuando aplicamos una tensión a la puerta, la polarización hace que la resistencia de este se reduzca, con la conducción de la corriente. Sin embargo, esta resistencia no presenta características lineales.

Como el MOSFET utiliza los portadores mayoritarios en su funcionamiento, no almacena cargas y con esto puede ser mucho más rápido que los transistores bipolares.

Otro efecto muy importante que debe ser considerado es precisamente la física de los semiconductores.

Los dispositivos semiconductores de los materiales tienen un coeficiente negativo de la temperatura, es decir que su resistencia disminuye cuando la temperatura aumenta.

Así los transistores bipolares tienden a disminuir la velocidad cuando la temperatura aumenta y también a conducir más intensamente la corriente, conduciendo a la posibilidad de la deriva termal que estudiamos en el artículo anterior.

Por otro lado, los MOSFETs son dispositivos que operan con portadores mayoritarios, siendo más rápidos cuando la temperatura aumenta y también bajando la corriente para compensar un efecto que causaría una deriva térmica.

Una consecuencia interesante de la construcción de un MOSFET es la aparición de un diodo parásito entre el dreno y la fuente, resultante de la propia estructura del componente, como se muestra en la figura 3.

 

Figura 3 – El diodo parásito en el MOSFET
Figura 3 – El diodo parásito en el MOSFET

 

 

Este diodo es interesante pues sirve como elemento protector en la conmutación inductiva de la carga (diodo clamp).

Vea que no hay tal diodo equivalente en los transistores comunes de potencia excepto en los Darlingtons donde debe ser incluido.

Para una construcción normal, la estructura de un MOSFET es muy pequeña solo soportando pequeñas corrientes.

La forma más sencilla de obtener una estructura que admita una mayor corriente es trabajando con la geometría.

Así, tenemos los V-MOS que tienen una estructura como se muestra en la figura 4, donde se obtiene un canal más grande causando que penetre en el sustrato, adquiriendo la forma de una "V".

 

Figura 4 – El V-MOS
Figura 4 – El V-MOS

 

 

Si bien es una manera de obtener un MOSFET más actual no es la solución ideal.

Si la estructura se aumenta simplemente, las características tales como la velocidad de funcionamiento y la tensión de funcionamiento máxima se comprometen.

Así, una forma de obtener mayor capacidad actual es reunir varias estructuras como esta en paralelo.

Hay entonces varias tecnologías de montaje para los MOSFETs de la energía, tales como los que damos abajo:

 

MOSFET Lateral

En la figura 5 tenemos la estructura de un MOSFET de este tipo que tiene una construcción simple y presenta una gran eficiencia dada la utilización más rentable de la superficie del material semiconductor.

 

Figura 5 – Construyendo un lado MOSFET
Figura 5 – Construyendo un lado MOSFET

 

 

Las principales ventajas de este tipo de MOSFET son la pequeña potencia de la señal requerida para su excitación y la alta velocidad de conmutación.

La pequeña potencia es debido al hecho de que virtualmente ninguna corriente atraviesa después de que la capacitancia pequeña de la puerta se cargue.

La desventaja está en la alta resistencia del canal que tiene limitaciones para su reducción principalmente en relación con los costes.

 

MOSFET dual de la difusión

En la figura 6 tenemos un ejemplo de una estructura MOSFET que utiliza esta tecnología.

 

   Figura 6 – MOSFET de doble difusión
Figura 6 – MOSFET de doble difusión

 

 

Para obtener una mayor capacidad de corriente, muchas regiones N de las fuentes están vinculadas en celdas de formación paralela.

En un solo transistor podemos encontrar de 5 000 a 25 000 de estas células, lo que contribuye a reducir la resistencia entre el dreno y la fuente (Rdson) haciendo así que el transistor sea mucho más eficiente, incluyendo el aumento de la velocidad de conmutación.

Para este tipo de estructura existen varios arreglos posibles como, por ejemplo, provisiones en cuadrados, triángulos, hexágonos, etc.

En la figura 7 tenemos un ejemplo de una estructura en hexágonos formando celdas paralelas, de modo que cada célula se compone como un MOSFET independiente, todo conectado en paralelo.

 

   Figura 7- Estructura en hexágonos formando las células en un MOSFET de la energía
Figura 7- Estructura en hexágonos formando las células en un MOSFET de la energía

 

 

MOSFET vertical

Esta es otra estructura posible para la construcción de MOSFETs de potencia. En la figura 8 mostramos cómo se encuentra en una vista de corte muy ampliada.

 

  Figura 8 – El MOSFET vertical
Figura 8 – El MOSFET vertical

 

 

Este tipo de MOSFET se puede utilizar apenas como los otros, presentando buena capacidad de dirección de altas corrientes.

 

MOSFET T

Este MOSFET utiliza otro tipo de estructura que lo hace muy eficiente en la manipulación de altas corrientes y también en términos de velocidad.

En la figura 9 tenemos esta estructura.

 

 

   Figura 9 – MOSFET T
Figura 9 – MOSFET T

 

 

En esta estructura la superficie superior corresponde totalmente a la conexión a la fuente.

Una de las ventajas de este tipo de estructura es su facilidad de construcción.

La capacidad de conducción de un MOSFET y por lo tanto su potencia máxima está directamente ligada a la resistencia que presenta entre el dreno y la fuente llamada RDS (on).

Al igual que con cualquier componente, la cantidad de calor generado se da por la corriente a la que conduce y por la caída de tensión entre sus terminales, en el caso del MOSFET, la resistencia entre el desagüe (d) y la fuente (s).

Si esta resistencia es baja, la caída de tensión es pequeña y, con eso, la cantidad de calor generado en la conducción es baja.

Hoy en día, la mayor preocupación de los fabricantes es ofrecer MOSFETs que tienen el más bajo posible RDS (on) los valores de la orden de fracción de Ohm.

Con el uso de estructuras triangulares, cuadradas o hexagonales con muchas células conectadas en paralelo, es como si las resistencias entre el dren y la fuente fueran paralelas, permitiendo la obtención de RDS (on) muy bajo.

En los MOSFETs comunes podemos encontrar de 5 000 a 25 000 celdas conectadas en paralelo en un solo componente.

Los MOSFETs pueden funcionar con tensiones de hasta más de 1 000 V dependiendo del tipo y con corrientes muy intensas que, en algunos casos, alcanzan varias decenas de ampères.

Podemos entonces controlar potencias de carga de valores altos, con una ganancia muy alta, lo que hace que estos dispositivos sean ideales para su uso en fuentes de alimentación informática, amplificadores de audio, control de solenoides, motores, relés y lámparas.

Sin embargo, hay problemas a considerar cuando usamos estos componentes.

La capa delgada de óxido que aísla el electrodo de control (puerta) del canal se puede romper fácilmente por una tensión más alta.

Por lo tanto, las descargas estáticas que se producen en el manejo pueden pinchar está cubierta y deshabilitar el componente, como se muestra en la figura 10.

 

    Figura 10 – Las descargas estáticas pueden deshabilitar el componente
Figura 10 – Las descargas estáticas pueden deshabilitar el componente

 

 

Se recomienda un cuidado especial en el manejo, transporte y almacenamiento.

 

Utilización

Como hemos visto, mientras que en un transistor bipolar NPN es necesario aplicar una tensión positiva en la base para que la junción emisor/base se polarice en la dirección directa y conduzca, en un MOSFET preciso para aplicar una tensión positiva a la gate de modo que crea el campo que permita la pasaje de la corriente a través del canal.

En el transistor bipolar una tensión del orden de 0.7 V es suficiente para obtener la polarización, pero en un MOSFET necesitamos una tensión mayor.

Como se muestra en la familia de curvas de uno de estos componentes en la figura 11, necesitamos al menos 2 V para que se conduzca y para una buena operación necesitamos mucho más.

 

Figura 11 – Una familia de curvas MOSFET
Figura 11 – Una familia de curvas MOSFET

 

 

Vea que para obtener las mayores corrientes entre el dreno y la fuente, necesitamos altas tensiones de la puerta que superen los 7 V.

También tenemos en cuenta que, como en un transistor bipolar común, tenemos una región lineal en la que el dispositivo funciona como un amplificador y una región de saturación en la que el dispositivo funciona como un interruptor.

En la región lineal podemos usarlo como amplificador de señal, por ejemplo, un amplificador de audio o incluso en una etapa que genere señales sinusoidales para un transductor ultrasónico de un oscilador.

Las características lineales de este componente, que no tiene un punto de crossover que en transistores bipolares afecta la fidelidad a la reproducción, permiten que los MOSFETs sean utilizados en excelentes amplificadores de audio, con pasos como el que se muestra en la figura 12.

 

Figura 12 – Paso de salida con V-MOS de potencia para amplificador de audio
Figura 12 – Paso de salida con V-MOS de potencia para amplificador de audio

 

 

En modo saturado podemos usarlo para controlar cargas de alta corriente como motores, solenoides, lámparas, actuadores, etc.

Vea, sin embargo, que esta necesidad de tener algo de alta tensión para su conmutación trae algunas dificultades cuando tenemos la intención de hacer el control de la lógica digital.

Así que los 5 V que conseguimos en la salida de los circuitos integrados TTL son insuficientes para saturar un MOSFET.

Una salida está utilizando un resistor pull-up (conectado al positivo de la alimentación con un colector abierto CI).

En la figura 13 tenemos una forma de hacer esto.

 

Figura 13 – Utilizando un colector abierto CI con resistor de tracción
Figura 13 – Utilizando un colector abierto CI con resistor de tracción

 

 

El ideal es utilizar los circuitos excitadores apropiados para conseguir una tensión más alta del driver y para eso hay varias configuraciones posibles.

En la figura 14, por ejemplo, tenemos un circuito push-pull con transistoress bipolares que utiliza una fuente de alimentación de 15 V.

 

Figura 14 – Uso de transistores bipolares
Figura 14 – Uso de transistores bipolares

 

 

En la figura 15 se muestra un circuito completo de excitación por TTL mediante transistores bipolares.

Tenga en cuenta el uso del resistor de pull-up con fuente de alimentación de 15 V.

 

     Figura 15 – Circuito de excitación TTL
Figura 15 – Circuito de excitación TTL

 

 

Además, como un circuito de alta impedancia, tenemos dos elementos parásitos que influyen en el modo con ese componente debe ser polarizado.

En serie con la compuerta (g) tenemos un resistor R que representa la fuga que existe en el aislamiento entre la puerta y el canal, ya que no es perfecto. Esta resistencia tiene un valor de la orden de muchos megohms.

La corriente circulando en estas condiciones es del orden de los nanoampères.

Todavía tenemos una capacitancia que aparece entre la puerta y la fuente y entre la puerta y el dreno, también de muy bajo valor.

En la figura 16 tenemos la capacitancia combinada de dos.

 

     Figura 16 – Circuito de entrada equivalente de un MOSFET
Figura 16 – Circuito de entrada equivalente de un MOSFET

 

 

Esta resistencia y capacitancia de entrada determinan algunas características importantes del MOSFET que veremos más adelante.

De todos modos, cuando comparamos los MOSFETs con los bipolares, vemos diferencias importantes que se dan en la tabla más adelante.

Para los circuitos integrados CMOS el disparo es más sencillo, ya que pueden ser alimentados con tensiones de 10 V o más, ideal para la conmutación de un MOSFET.

Sin embargo, no son rápidos y esto puede limitar su aplicación a un proyecto.

Los mejores resultados siempre se obtendrán cuando se intercala un circuito apropiado entre la lógica TTL o CMOS y el MOSFET.

 

Comparación entre MOSFETs de potencia y transistores de potencia bipolares

MOSFETs

Bipolar

Dispositivo de portadores de carga mayoritarias

Dispositivo de portadores de carga minoritarias

No muestra los efectos de almacenamiento de carga

Muestra los efectos de almacenamiento de carga entre la base y el colector

Alta velocidad de la conmutación, menos sensible a la temperatura que el bipolar

Velocidad de conmutación baja, sensible a la temperatura

Corriente de la deriva (proceso rápido)

Corriente de la difusión (proceso lento)

Excitado por tensión

Excitado por corriente

Impedancia puramente capacitiva de la entrada; No requiere corriente continua

impedancia baja de la entrada; Requiere corriente continua

Circuito de excitación simple

Circuito de excitación complexo debido a la alta corriente de base requerida

Coeficiente de temperatura predominante negativo en la resistencia

Coeficiente de temperatura predominante positivo en la corriente del colector

Sin deriva térmica

Presenta deriva térmica

Los dispositivos se pueden conectar en paralelo con algunas precauciones

Los dispositivos no se pueden conectar en paralelo fácilmente debido a los problemas de la junción de Vbe y de la concentración local de corrientes.

Menos susceptibles a la segunda barrera de ruptura

Susceptibles a la segunda barrera de ruptura

Característica I-V siguiendo la ley del cuadrado en bajas corrientes y I-V linear para las altas corrientes

Característica I-V exponencial

Operación lineal más grande y menos armónicas

Mayores productos de intermodulación y modulación cruzada

Baja resistencia en estado de conducción (baja tensión de saturación) debido a la modulación de la conductividad de la región de la alta conductividad

Alta resistencia en el estado de conducción y por lo tanto mayores pérdidas de conducción

Corriente del dreno proporcional a la anchura del canal

Corriente del colector aproximadamente proporcional a la longitud de la línea del emisor y de su área

Baja transconductancia

Alta transconductancia

Alta tensión de ruptura debido a la región levemente dopada de la región de la obstrucción del canal de dreno.

Alta tensión de la ruptura debido a la región levemente dopada de la junci´´on base-colector.

 

 

Cubiertas

Las cubiertas utilizadas por los fabricantes de MOSFETs son prácticamente las mismas que los utilizados para los transistores de potencia.

Además de los tipos estandarizados JEDEC con designaciones, por ejemplo, también tenemos algunos tipos específicos.

En la figura 17 tenemos algunos ejemplos de cubiertas de MOSFET de potencia común.

 

 

Figura 17 – Cubiertas para MOSFETs de la serie OptMOS de la Infineon y un MOSFET con cubierta metálico de International Rectifier
Figura 17 – Cubiertas para MOSFETs de la serie OptMOS de la Infineon y un MOSFET con cubierta metálico de International Rectifier

 

 

Un factor importante que facilita el uso de MOSFETs de potencia es la baja resistencia Rds(on) que se puede obtener hoy en día con las tecnologías que cada vez son más perfectas.

Con esto, podemos conseguir MOSFETs con grandes capacidades de corriente y muy pequeñas disipaciones (Rdson muy bajas).

El resultado es que, a diferencia de la potencia bipolar, podemos tener MOSFETs de potencia en envolturas SMD, como se muestra en la figura 17.

 

 

SOAR

De la misma manera que en el caso de los transistores bipolares, se deben observar las condiciones de disipación cuando las usamos.

En la figura 18 tenemos la curva SOA para un MOSFET de potencia típico.

 

Figura 18 – Función SOA para un MOSFET de potencia
Figura 18 – Función SOA para un MOSFET de potencia

 

 

Esta curva es para el MOSFET típico que tiene una corriente máxima del dreno de 1000 a y una tensión máxima (Vdds) entre el dreno y la fuente de 40 V.

El Rds (on) de este componente es de 0,15 ohm con una disipación máxima de 150 W.

Observe que tenemos una delimitación del área para el funcionamiento continuo y una delimitación para el funcionamiento con pulsos.

También disponemos de un área cuya operación está limitada por Rds(on).

Al igual que con los transistores de potencia bipolares, cualquier persona que utilice un MOSFET de potencia debe tener cuidado de que las condiciones de funcionamiento no salgan del área segura.

Por ejemplo, una operación de 10 V x 10 estará en el área segura, pero con 20 a, estará fuera.

En las fichas de datos de los MOSFETs de potencia la curva SOA está siempre presente, permitiendo así al diseñador verificar que los puntos de operación destinados al componente se encuentran en el área segura.

 

 

Características y Especificaciones

a) Máxima tensión entre dreno y fuente (Vds)

   Es la máxima tensión que el MOSFET puede manejar sin quemar. Para los tipos comunes está entre 20 y 600 V. Esta especificación también se puede dar como Vds (max).

 

b) Máxima corriente de dreno (ID)

   Es la máxima corriente que puede atravesar el componente cuando está en operación. Los MOSFET de potencia más comunes pueden controlar corrientes de 1 a más de 1 000 A.

 

c) Potencia de disipación (Pd)

   Es la potencia máxima que el componente puede disipar. Existen tipos comunes que llegan a más de 200 W.

 

d) Resistencia entre dreno y fuente (Rds)

   Se trata de la resistencia que el componente presenta la plena conducción (on).

Esta resistencia es muy importante, pues determina la cantidad de calor que el componente va a disipar en una aplicación. Cuanto menor sea el valor de la Rds (on) de un MOSFET de potencia más eficiente, es en el control de corrientes elevadas.

   Los tipos comunes pueden tener una resistencia entre dreno y fuente menor que 0,01 ohms. Muchos equipos modernos utilizan MOSFETs de potencia para el control de motores, solenoides y otras cargas de alta corriente.

 

e) Capacitancias entre los electrodos (Cgs, Cgd, Cds)

   Tenemos tres capacitancias presentes en un MOSFET de potencia. El hecho de la conducción es aislada de los demás electrodos hace que se comporte como la armadura de un capacitor.

Esta capacitancia es importante en los circuitos de conmutación, como hemos visto, ya que antes de que el MOSFET se encienda, cuando se establezca la señal de la puerta, este capacitor necesita ser cargado.

En la figura 19 tenemos las tres capacitancias indicadas.

 

Figura 19 – La capacitancia del MOSFET
Figura 19 – La capacitancia del MOSFET

 

 

Los valores típicos de estas capacitancias son el orden de PF. Sin embargo, estas capacitancias se indican de otra manera en las fichas técnicas, de la siguiente manera:

 

Ciss = Cgs + Cgd

Coss = Cds + Cgd

Crss = Cgd

 

 

Donde:

CISS es la capacitancia de la entrada en el terminal de la puerta en relación

al dreno y a la fuente.

CES es la capacitancia de salida, medida entre la puerta conectada a la fuente.

Crss se llama capacitancia de transferencia inversa

 

 

Tiempos

El uso más común para los MOSFETs de potencia está en la conmutación de cargas del potencia más elevada, en los drivers, los inversores de frecuencia, los controles del motor, el etc.

Así, los tiempos de funcionamiento relacionados con este componente son de vital importancia para su uso práctico.

Por esta razón, hemos descartado los tiempos relacionados con el funcionamiento de los MOSFETs de las otras características, dada su importancia. Sieguen los tiempos principales:

 

a) Turn-on delay (tiempo para conectar) - es el intervalo de tiempo que transcurre entre la aplicación de un pulso en la entrada (Vin) hasta que la salida alcance el 90% de su amplitud máxima (V1).

 

b) Turn-on rise time (tiempo de ascenso) - es el tiempo que, después de la aplicación del pulso de conmutación, la corriente de dreno tarda para subir del 10% al 90% de su valor máximo.

 

c) Turn-off delay (tiempo para apagar) - es lo contrario del turn-on time, o sea, el tiempo que transcurre desde el momento en que el pulso deja de ser aplicado hasta que la tensión de salida cae hacia 10% de su valor máximo.

 

   d) Turn-off fall time (tiempo de descenso) - es el tiempo que transcurre entre el instante en que la señal de entrada deja de ser aplicada, para que la corriente de dreno caiga del 90% de su valor máximo al 10% de este valor .

   

   Tiempos de conmutación de dreno:

 

e) Turn-on delay (intervalo de tiempo para conectar) - es el intervalo de tiempo que transcurre entre la aplicación del pulso de entrada hasta que la corriente de dreno alcance el 10% de su valor máximo.

 

   f) Turn-on fall time (tiempo de descenso al conectar) - Es el tiempo que transcurre entre la aplicación del pulso de entrada hasta que la tensión en la salida (V2) caiga al 10% del valor máximo.

 

   g) turn-off delay (tiempo de desconexión) - intervalo de tiempo para que la corriente caiga del 90% al 10% de su valor máximo después del pulso de conmutación en la entrada.

 

   h) Turn-on off rise time (tiempo de ascenso en el apagado) - es el intervalo que transcurre entre el instante en que el pulso de conmutación deja de ser aplicado y la tensión de salida (dreno) sube al 90% de su valor máximo .

 

Tiempos para conmutación de compuerta:

En la figura 20 tenemos los tiempos de identificación indicados.

 

 Figura 20 – tenemos de conmutación del MOSFET
Figura 20 – tenemos de conmutación del MOSFET

 

 

Amplificadores Lineales con MOSFETs

Otra aplicación importante para los MOSFETs de potencia está en la amplificación de las señales, por ejemplo, en los amplificadores de audio.

Además de las aplicaciones en electrónica de consumo (amplificadores de alta fidelidad), los amplificadores lineales también pueden ser utilizados en aplicaciones industriales, como la amplificación de señales sinusoidales para transductores ultrasónicos, además de los demás.

Las características de este componente, sin punto de crossover, como con los transistores bipolares, hacen que las características de fidelidad de los amplificadores que lo utilizan sean excelentes, acercándose a la calidad de los amplificadores con válvulas.

En la figura 21, el lector puede ver un ejemplo de una aplicación en la que tenemos un amplificador de audio que utiliza MOSFET poniendo para proporcionar potencia de más de 100 W a un altavoz en un amplificador.

 

  Figura 21 –Amplificador de audio con MOSFET
Figura 21 –Amplificador de audio con MOSFET

 

 

Vamos a explicar en detalles porque la calidad de sonido de este tipo de amplificador es mejor que la de un amplificador que utiliza transformadores bipolares comunes.

Como ya hemos estudiado, un transistor bipolar común sólo comienza a conducir la corriente cuando la tensión en su base alcanza un 0,6 V. Esto significa que si tenemos una señal sinusoidal, cuando la tensión pasa a través del punto de cero volts, es decir, cruza la línea de cero volts el transistor no conduce.

Como el lector puede ver en la figura 22, el transistor no sigue esta variación de manera lineal.

 

Figura 22 – La distorsión por
Figura 22 – La distorsión por "crossover" (cruzamiento)

 

 

En este cruzamiento, llamado de “Crossover" en inglés, el transistor manifiesta esta incapacidad para trabajar con tensiones por debajo de 0.6 V, y causa distorsión de la señal. Aunque pequeño, puede significar una pérdida de la fidelidad de la señal que en los amplificadores comunes puede conseguir entre 0.1 y el 2% típicamente.

Sin embargo, el MOS de potencia, como todos los FETs no presentan el punto de crossover en condiciones normales de funcionamiento, lo que significa que este tipo de distorsión no se produce en la amplificación de las señales de audio.

El resultado es que con estos transistores podemos trazar pasos de amplificadores de audio con tasas de distorsión tan bajas como 0.001%. Sin duda, una pequeña tasa de distorsión no puede ser percibida por el oído más sensible.

 

En la práctica

Los transistores de efecto de campo de potencia pueden controlar corrientes muy intensas y, por lo tanto, encontrar algunas aplicaciones importantes en el equipo eléctrico común. Lo principal es el suministro de energía. Las fuentes de alimentación de una gran cantidad de equipos modernos son de tipo llave y funcionan con corrientes intensas.

En ellos, un transistor de alta potencia, usualmente un MOSFET de potencia, actúa como una llave que se abre y se cierra rápidamente, determinando la cantidad de corriente que pasa y con ella la tensión en la salida.

Un circuito apropiado determina el tiempo de cierre del transistor en función de la tensión de salida, es decir, regula. Un componente cuyas características son muy cercanas a las de los transistores de efecto de campo es la válvula pentodo.

En los viejos tiempos, las etapas de la salida de amplificadores de alta fidelidad fueron hechas con este tipo de válvula. En la figura 23 el lector puede ver un paso típico en "push -pull", como sabemos de las lecciones anteriores, pero con válvulas pentodo de potencia.

 

Figura 23 – Etapa de la salida en push-pull con las válvulas
Figura 23 – Etapa de la salida en push-pull con las válvulas

 

 

Sin embargo, junto con la calidad del sonido, garantizada por la no existencia de distorsiones por crossover, tales pasos presentaron una serie de inconvenientes, además del hecho de que las válvulas necesitan mucha más energía para funcionar y ser componentes voluminosos.

Los transistores deben tener características especiales, y para las altas potencias consistió en componentes pesados y costosos. Un transformador de salida para un amplificador, del tipo "ultra-lineal", ¡no pesaba menos de 10 libras!

 

Cuidados en el Uso

Muchos lectores pueden pensar que debido a que son dispositivos de potencia y por lo tanto robustos, los MOSFETs, así como los IGBTs, que todavía estudiamos, no requieren mayor atención en la manipulación o incluso la prueba.

Aunque son dispositivos de potencia capaces de funcionar con altas tensiones entre el desagüe y la fuente, y de conducir corrientes intensas, la presencia de un elemento de control los hace sensibles a los problemas de descargas estáticas y sobretensiones en estos electrodos.

Un aumento de tensión indebida en este electrodo puede dañar irreversiblemente el componente.

La presencia de estas puertas también requiere atención cuando se prueban los MOSFETs de potencia, ya que en este procedimiento se pueden aplicar tensiones indebidas con los mismos resultados catastróficos finales.

A continuación, tomaremos alguna información importante que el profesional debe tener en cuenta cuando se trabaja con estos dispositivos.

 

Tenga siempre presente las características inversas del dispositivo

Los MOSFETs internamente tienen un diodo antiparalelo en el propio chip, que sirve para absorber estos impulsos de polaridad inversa que se generan en la conmutación de carga inductiva.

 

PRECAUCIÓN al manipular y probar la potencia de MOSFET

El manejo directo del componente puede causar daños si se produce una descarga electrostática. Para evitar problemas se dan las siguientes recomendaciones:

Los dispositivos con puertas MOS deben mantenerse en su empaque estático o en recipientes metálicos hasta que sean probados o utilizados. Preferiblemente, la persona que las manipule debe estar conectada a tierra.

Los dispositivos deben ser manejados sosteniendo la Cubierta y no por los terminales.

Al realizar las pruebas, debe asegurarse de que el equipo de prueba esté debidamente conectado a tierra.

Siempre es posible conectar los terminales de prueba al componente sólo después de energizarlos.

Si el dispositivo se prueba con un trazador curvo, debe conectarse en serie con una resistencia de 100 ohm para amortiguar las oscilaciones falsas.

Al cambiar el rango de prueba del instrumento, se debe asegurar que la tensión aplicada al dispositivo se reduzca a cero.

 

Tenga cuidado con los picos de tensión entre la puerta y la fuente.

La cubierta aislante entre la puerta y el sustrato del dispositivo es extremadamente delgada y puede romperse con picos de tensión relativamente bajos.

Vemos que asumiendo que la impedancia de la fuente excitadora es alta, cualquier pulso positivo de la conmutación será reflejado como transitorio positivo. La intensidad de este pulso depende de la capacitancia involucrada en el proceso.

La tasa de producción de este transitorio de la compuerta varía entre 1 y 6. Así, una variación en la tensión de dreno de la fuente de 600 V puede reflejar una variación de tensión entre la puerta y la fuente de 50 V.

En la práctica, como los dispositivos MOS conducen a aproximadamente 4 V, la transición positiva no causa problemas. Sin embargo, la transición negativa puede causar picos que superan la capacidad de aislamiento del dispositivo. El diseñador debe ser consciente de ese hecho.

Además de la amortiguación de la carga conmutada por el uso de diodos, también se debe tomar para asegurarse de que la impedancia del circuito de esclusa sea lo más baja posible.

Cuidado

 

Con los picos del colector o dreno

Picos de tensión en el dreno en el colector inducido por la conmutación de cargas inductivas peligrosas. Un pico de voltaje se induce en el proceso de la conmutación, como se muestra en la figura 24.

 

Figura 24 – Transitorio de conmutación de carga inductiva
Figura 24 – Transitorio de conmutación de carga inductiva

 

 

En la Figura 25 se muestra lo que sucede cuando el dispositivo está apagado, con la tensión generada por la presencia de una inductancia en el circuito. Cuanto más rápido sea el dispositivo, mayor será la tensión generada en este proceso.

En la práctica, una amortiguación reduce esta tensión, como se muestra en la Figura 25, pero la tensión restante todavía puede ser peligrosa para el dispositivo de conmutación.

 

Figura 25 – Reducción de la amortiguación por un diodo
Figura 25 – Reducción de la amortiguación por un diodo

 

 

Lo que pasa es que el amortiguador de diodos, conectado en paralelo a la carga inductiva, no tiene una acción instantánea y, además, presenta cierta resistencia.

El diseñador de circuitos de interruptores de carga inductivos debe tener mucho cuidado de no dejar inductancias parásitas que puedan afectar la acción del diodo. Además, debe ser consciente de la cantidad de energía que el dispositivo puede manejar en las condiciones de conmutación. Las fichas de datos deben leerse cuidadosamente.

Una posibilidad importante es la que se muestra en la figura 26, donde tenemos un diodo Zener en paralelo con el elemento conmutador.

 

Figura 26 – Uso de un diodo Zener
Figura 26 – Uso de un diodo Zener

 

 

El dispositivo utilizado en la amortiguación de los picos de conmutación debe conectarse lo más cerca posible de los terminales de dreno y de fuente.

En la figura 27 tenemos otra alternativa para ayudar en la amortiguación de espigas generadas en el cambio inductivo de carga. Es un circuito de amortiguación que utiliza un diodo, un capacitor y un resistor.

 

Figura 27 – Circuito de amortiguación bien diseñado
Figura 27 – Circuito de amortiguación bien diseñado

 

 

El capacitor actúa como un reservorio que almacena la energía generada en la conmutación, mientras que el resistor debe ser escalado para poder absorber la energía generada en el proceso de cambiar la carga inductiva.

Otro circuito utilizado en la amortiguación de la alta tensión generada en la conmutación es el conocido " Snubber", que se muestra en la figura 28.

 

Figura 28 – Uso de un Snubber
Figura 28 – Uso de un Snubber

 

 

Lo que tenemos es un circuito resonante de serie que amortigua el transitorio generado, produciendo una oscilación amortiguada donde la resistencia disipa la energía desarrollada en el proceso.

 

No exceda los límites de corriente

Todos los dispositivos de alimentación tienen especificaciones del pico de corriente máximo que puede conducir. Estos límites nunca deben excederse.

Una técnica utilizada para evitar que estos límites se superen es el uso de dispositivos de sensores de corriente. Estos circuitos apagan automáticamente el circuito si la corriente sobrepasa un cierto valor.

En la figura 29 se muestra un caso importante en el que se pueden generar picos actuales.

 

Figura 29 – Picos de conmutación de dos MOSFETs en serie
Figura 29 – Picos de conmutación de dos MOSFETs en serie

 

 

Este pico se puede generar al pasar el estado de conducción de un transistor a otro. Esto ocurre por el tiempo de recuperación de los diodos utilizados en la protección de los transistores.

Cuando uno de los transistores entra en la conducción, el diodo que protege el otro dispositivo puede no haberse recuperado del estado de conducción y con eso tenemos casi un cortocircuito que genera una corriente transitoria fuerte. Este transitorio puede causar daños al dispositivo semiconductor.

La solución para evitar problemas de este tipo es utilizar un diodo con un tiempo de recuperación muy corto (diodo de recuperación rápida o diodo de recuperación rápida).

 


 

 

Contenido 

Parte 1 - Unidades - Energía (CUR2001S)

Parte 2 – Diodos (CUR2002S) 

Parte 3 - Transistores de potencia bipolares (CUR2003S)

Parte 4 - MOSFETs de Potencia (CUR2004S)

Parte 5 - Los IGBTs (CUR2005S)

Parte 6 - Tiristores – El SCR (CUR2006S)

Parte 7 - Tiristores - El Triac (CUR2007S)

Parte 8 – Tiristores – Otros Dispositivos (CUR2008S)

 

Banco de Circuitos

Ofertas de Empleo