El mosfet de potencia

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” (Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S (Gp:) Canal N (Gp:) Conducción debida a electrones

(Gp:) D (Gp:) G (Gp:) S (Gp:) Canal P (Gp:) 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 Þ 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 (Gp:) ID [mA] (Gp:) VDS [V] (Gp:) 4 (Gp:) 2 (Gp:) 4 (Gp:) 2 (Gp:) 6 (Gp:) 0 (Gp:) – Curvas de salida

– Curvas de entrada: No tienen interés (puerta aislada del canal) (Gp:) VGS < VTH = 2V

(Gp:) VGS = 2,5V

(Gp:) VGS = 3V

(Gp:) VGS = 3,5V

(Gp:) VGS = 4V

(Gp:) VGS = 4,5V

(Gp:) Referencias normalizadas (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) VDS (Gp:) ID (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) VGS (Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S

Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación

EL MOSFET DE POTENCIA (Gp:) VDS [V] (Gp:) ID [mA] (Gp:) 4 (Gp:) 2 (Gp:) 8 (Gp:) 4 (Gp:) 12 (Gp:) 0

(Gp:) VGS = 2,5V

(Gp:) VGS = 3V

(Gp:) VGS = 3,5V

(Gp:) VGS = 4V

(Gp:) VGS = 4,5V

VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V (Gp:) Comportamiento resistivo

(Gp:) VGS < VTH = 2V

< 4,5V (Gp:) Comportamiento como circuito abierto

10V (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) VDS (Gp:) ID (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) VGS (Gp:) 2,5KW (Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S

Zonas de trabajo Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación (Gp:) Comportamiento como fuente de corriente (sin interés en electrónica de potencia)

(Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S

(Gp:) D (Gp:) S (Gp:) G (Gp:) + (Gp:) P- (Gp:) Substrato (Gp:) N+ (Gp:) N+

Precauciones en el uso de transistores MOSFET – 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 EL MOSFET DE POTENCIA Ideas generales sobre los MOSFETs

(Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S

Están 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 fácilmente Algunas celdas posibles EL MOSFET DE POTENCIA Estructura de los MOSFETs de Potencia (Gp:) Puerta (Gp:) Drenador (Gp:) Fuente (Gp:) n+ (Gp:) n- (Gp:) p (Gp:) n+ (Gp:) n+ (Gp:) Estructura planar (D MOS)

(Gp:) Estructura en trinchera (V MOS) (Gp:) Drenador (Gp:) n+ (Gp:) n- (Gp:) p (Gp:) n+ (Gp:) Puerta (Gp:) Fuente

En general, semejantes a los de los diodos de potencia (excepto los encapsulados axiales) Existe gran variedad Ejemplos: MOSFET de 60V EL MOSFET DE POTENCIA Encapsulados de MOSFETs de Potencia (Gp:) RDS(on)=9,4mW, ID=12A

(Gp:) RDS(on)=12mW, ID=57A

(Gp:) RDS(on)=9mW, ID=93A

(Gp:) RDS(on)=5,5mW, ID=86A

(Gp:) RDS(on)=1.5mW, ID=240A

Otros ejemplos de MOSFET de 60V EL MOSFET DE POTENCIA Encapsulados de MOSFETs de Potencia (Gp:) RDS(on)=3.4mW, ID=90A

EL MOSFET DE POTENCIA Características fundamentales de los MOSFETs de potencia 1ª -Máxima tensión drenador-fuente 2ª -Máxima corriente de drenador 3ª –Resistencia en conducción 4ª -Tensiones umbral y máximas de puerta 5ª –Velocidad de conmutación 1ª Máxima tensión drenador-fuente Corresponde a la tensión de ruptura de la unión que forman el substrato (unido a la fuente) y el drenador. Se mide con la puerta cortocircuitada a la fuente. Se especifica a qué pequeña circulación de corriente corresponde (por ejemplo, 0,25 mA)

EL MOSFET DE POTENCIA 1ª Máxima tensión drenador-fuente (Gp:) Baja tensión (Gp:) 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V

(Gp:) Media tensión (Gp:) 100 V 150 V 200 V 400 V

(Gp:) Alta tensión (Gp:) 500 V 600 V 800 V 1000 V

(Gp:) Ejemplo de clasificación

La máxima tensión drenador-fuente de representa como VDSS o como V(BR)DSS Ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potencia

EL MOSFET DE POTENCIA 2ª Máxima corriente de drenador El fabricante suministra dos valores (al menos): – Corriente continua máxima ID – Corriente máxima pulsada IDM La corriente continua máxima ID depende de la temperatura de la cápsula (mounting base aquí) A 100ºC, ID=23·0,7=16,1A

EL MOSFET DE POTENCIA 3ª Resistencia en conducción Es uno de los parámetro más 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 tensión de puerta. Este decrecimiento tiene un límite. (Gp:) Drain-source On Resistance, RDS(on) (Ohms)

EL MOSFET DE POTENCIA 3ª Resistencia en conducción Comparando distintos dispositivos de valores de ID semejantes, RDS(on) crece con el valor de VDSS

EL MOSFET DE POTENCIA 3ª Resistencia en conducción En los últimos tiempos se han mejorado sustancialmente los valores de RDS(on) en dispositivos de VDSS relativamente alta (600-1000 V) MOSFET de los años 2000 MOSFET de »1984

EL MOSFET DE POTENCIA 4ª Tensiones umbral y máximas de puerta La tensión puerta fuente debe alcanzar un valor umbral para que comience a haber conducción entre drenador y fuente Los fabricantes definen la tensión umbral VGS(TO) como la tensión 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 MOSFET DE POTENCIA 4ª Tensiones umbral y máximas de puerta La tensión umbral cambia con la temperatura

EL MOSFET DE POTENCIA 4ª Tensiones umbral y máximas de puerta La máxima tensión soportable entre puerta y fuente es típicamente de ± 20V

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Los MOSFET de potencia son más rápidos que otros dispositivos usados en electrónica de potencia (tiristores, transistores bipolares, IGBT, etc.) Los MOSFET de potencia son dispositivos de conducción unipolar. En ellos, los niveles de corriente conducida no están asociados al aumento de la concentración de portadores minoritarios, que luego son difíciles de eliminar para que el dispositivo deje de conducir La limitación en la rapidez está asociada a la carga de las capacidades parásitas del dispositivo Hay, esencialmente tres: – Cgs, capacidad de lineal – Cds, capacidad de transición Cds » k/(VDS)1/2 – Cdg, capacidad Miller, no lineal, muy importante (Gp:) S (Gp:) D (Gp:) G

(Gp:) Cdg

(Gp:) Cgs

(Gp:) Cds

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Los fabricantes de MOSFET de potencia suministran información 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)

(Gp:) Ciss

(Gp:) Coss

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Ejemplo de información de los fabricantes Ciss = Cgs + Cgd Crss = Cdg Coss = Cds + Cdg

(Gp:) V1 (Gp:) R (Gp:) C (Gp:) Carga y descarga de un condensador desde una resistencia

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación La carga y la descarga de estas capacidades parásitas generan pérdidas que condicionan las máximas frecuencias de conmutación de los MOSFET de potencia

En la carga de C: – Energía perdida en R = 0,5CV12 – Energía almacenada en C = 0,5CV12

En la descarga de C: – Energía perdida en R = 0,5CV12

Energía total perdida: CV12 = V1QCV1 Además, en general estas capacidades parásitas retrasan las variaciones de tensión, ocasionando en muchos circuitos convivencia entre tensión y corriente, lo que implica pérdidas en el proceso de conmutación

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Análisis de una conmutación típica en conversión de energía: – Con carga inductiva – Con diodo de enclavamiento – Suponiendo diodo ideal (Gp:) Cdg

(Gp:) Cgs

(Gp:) Cds

(Gp:) V1 (Gp:) R (Gp:) V2

(Gp:) IL

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Situación de partida: – Transistor sin conducir (en bloqueo) y diodo en conducción – Por tanto:

vDG = V2, vDS = V2 y vGS = 0 iDT = 0 y iD = IL (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS

(Gp:) vGS (Gp:) + (Gp:) –

(Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDG

(Gp:) Cdg (Gp:) Cgs (Gp:) Cds (Gp:) V1 (Gp:) R (Gp:) V2 (Gp:) IL

(Gp:) iDT

(Gp:) iD

(Gp:) B (Gp:) A

– En esa situación, el interruptor pasa de “B” a “A” (Gp:) + (Gp:) –

(Gp:) + (Gp:) –

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación iDT = 0 hasta que vGS = VGS(TO) vDS = V2 hasta que iDT = IL (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS (Gp:) vGS (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDG (Gp:) Cdg (Gp:) Cgs (Gp:) Cds (Gp:) V1 (Gp:) R (Gp:) V2 (Gp:) IL (Gp:) iDT (Gp:) iD (Gp:) B (Gp:) A

(Gp:) VGS(TO)

(Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) vGS

(Gp:) B®A

(Gp:) IL

(Gp:) Pendiente determinada por R, Cgs y por Cdg(»V2)

(Gp:) + (Gp:) –

(Gp:) + (Gp:) –

(Gp:) + (Gp:) –

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación La corriente que da V1 a través de R se emplea fundamentalmente en descargar Cdg Þ prácticamente no circula corriente por Cgs Þ vGS = Cte (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS

vGS + – + – vDG Cdg Cgs Cds V1 R V2 IL iDT B A (Gp:) VGS(TO) (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) vGS (Gp:) B®A (Gp:) IL

(Gp:) + (Gp:) –

(Gp:) + (Gp:) –

(Gp:) + (Gp:) –

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Cgs y Cdg se continúan (Gp:) VGS(TO) (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) vGS (Gp:) B®A (Gp:) IL

(Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS (Gp:) vGS (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDG (Gp:) Cdg (Gp:) Cgs (Gp:) Cds (Gp:) V1 (Gp:) R (Gp:) V2 (Gp:) IL (Gp:) iDT (Gp:) B (Gp:) A (Gp:) + (Gp:) –

(Gp:) V1

(Gp:) Constante de tiempo determinada por R, Cgs y por Cdg(»V1)

(Gp:) + (Gp:) –

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Valoración de pérdidas entre t0 y t2: – Hay que cargar Cgs (grande) y descargar Cdg (pequeña) VM voltios – Hay convivencia tensión corriente entre t1 y t2 (Gp:) iDT (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS (Gp:) vGS (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) Cdg (Gp:) Cgs (Gp:) Cds (Gp:) V2 (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) »iDT

(Gp:) t0 (Gp:) t1 (Gp:) t2 (Gp:) t3 (Gp:) VGS(TO) (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) vGS (Gp:) B®A (Gp:) IL

(Gp:) V1

VM (Gp:) PVI

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Valoración de pérdidas entre t2 y t3: – Hay que descargar Cds hasta 0 e invertir la carga de Cdg desde V2-VM hasta -VM – Hay convivencia tensión corriente entre t2 y t3 (Gp:) V1 (Gp:) VM (Gp:) t0 (Gp:) t1 (Gp:) t2 (Gp:) t3 (Gp:) VGS(TO) (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) vGS (Gp:) B®A (Gp:) IL (Gp:) PVI

(Gp:) iDT = IL (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS (Gp:) vGS (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) Cdg (Gp:) Cgs (Gp:) Cds (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) IL (Gp:) iCds (Gp:) iCdg+iCds+IL (Gp:) iCdg

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Valoración de pérdidas a partir de t3: – Hay que acabar de cargar Cgs y Cdg hasta V1 – No hay convivencia tensión corriente salvo la propia de las pérdidas de conducción (Gp:) t0 (Gp:) t1 (Gp:) t2 (Gp:) t3 (Gp:) VGS(TO) (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) vGS (Gp:) B®A (Gp:) IL (Gp:) PVI

(Gp:) V1 (Gp:) VM

(Gp:) iDT = IL (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS (Gp:) vGS (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) Cdg (Gp:) Cgs (Gp:) Cds (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) IL (Gp:) iCdg (Gp:) »iL

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Valoración 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 eléctrica Qgs – De t2 a t3, la corriente Iv1 se ha encargado en invertir la carga de Cdg. Se ha suministrado una carga eléctrica 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 más rápido será el transistor – Obviamente t2-t0 » QgsR/V1, t3-t2 » QdgR/V1 y PV1 = V1QgfS, siendo fS la frecuencia de conmutación (Gp:) vGS (Gp:) iV1 (Gp:) t0 (Gp:) t2 (Gp:) t3

(Gp:) V1 (Gp:) iV1 (Gp:) R

(Gp:) Qgs

(Gp:) Qdg

(Gp:) Qg

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Valoración de la rapidez de un dispositivo por la “carga de puerta”: Información de los fabricantes (Gp:) IRF 540

(Gp:) MOSFET de los años 2000

(Gp:) BUZ80 (Gp:) MOSFET de »1984

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Otro tipo de información suministrada por los fabricantes: conmutación con carga resistiva (Gp:) VDS (Gp:) VGS (Gp:) 10% (Gp:) 90%

(Gp:) tr

(Gp:) td on

(Gp:) tf

(Gp:) td off

td on : retraso de encendido tr : tiempo de subida td off : retraso de apagado tf : tiempo de bajada (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vGS (Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S (Gp:) + (Gp:) RG (Gp:) RD

EL MOSFET DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Otro tipo de información suministrada por los fabricantes: conmutación con carga resistiva (Gp:) IRF 540

td on : retraso de encendido tr : tiempo de subida td off : retraso de apagado tf : tiempo de bajada (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) + (Gp:) – (Gp:) vGS (Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S (Gp:) + (Gp:) RG (Gp:) RD

EL MOSFET DE POTENCIA Pérdidas en un MOSFET de potencia Pérdidas por convivencia tensión corriente entre drenador y fuente (Gp:) vDS (Gp:) iDT (Gp:) vGS (Gp:) PVI

(Gp:) Pérdidas en conducción

(Gp:) Pérdidas en conmutación

Pcond = RDS(on)iDT(rms)2 (Gp:) Won

(Gp:) Woff

Pconm = fS(won + woff)

EL MOSFET DE POTENCIA Pérdidas en un MOSFET de potencia Pérdidas en la fuente de gobierno (Gp:) vGS (Gp:) iV1 (Gp:) t0 (Gp:) t2 (Gp:) t3 (Gp:) Qgs (Gp:) Qdg (Gp:) Qg

PV1 = V1QgfS (Gp:) V1 (Gp:) iV1 (Gp:) R (Gp:) Circuito teórico

(Gp:) V1 (Gp:) iV1 (Gp:) RB (Gp:) Circuito real

EL MOSFET DE POTENCIA El diodo parásito de los MOSFETs de potencia El diodo parásito suele tener malas características, sobre todo en MOSFETs de alta tensión (Gp:) G (Gp:) D (Gp:) S

(Gp:) IRF 540

EL MOSFET DE POTENCIA El diodo parásito de los MOSFETs de potencia El diodo parásito en un MOSFET de alta tensión

EL MOSFET DE POTENCIA Características térmicas de los MOSFETs de potencia Es válido todo lo comentado para los diodos de potencia Este fabricante denomina “mounting base” a la cápsula y suministra información de la RTHja = RTHjc + RTHca