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EL MOSFET DE POTENCIA
UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLOGICA DE LIMA SUR
DR. ING. LUIS MIGUEL VELASQUEZ MACHUCAELECTRONICA DE POTENCIA
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El MOSFET (Metal Oxide Silicon Field EffectTransistor) es un dispositivo que controla unacorriente entre dos terminales (Source y Gate)
utilizando un voltaje de contacto (VG). El dispositivo utiliza efectos superficiales para crear
una regin n en un sustrato tipo p ( a la inversa).
Hoy da, los MOSFET son ms comunes que los
JFET y su funcionamiento es demasiado extensopara analizarlo con detalle.
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El hallazgo inteligente fue darse cuenta de que, al
interesarse slo por el campo elctrico entre la Gatey Drain, no haba necesidad de establecer unaconexin galvnica y que bastaba con una conexincapacitiva que tuviese el mismo efecto.
Por ello, en los MOSFET existe una capa aisladoraentre el conector de Gate y el semiconductordopado tipo p.
Los transistores de efecto de campo desemiconductores de metal-xido difieren bastante
de los JFET y se presentan en una gama muyvariable. La funcin que los caracteriza es que lapuerta est acoplada con un condensador.
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El transistor MOS de Efecto Campo (MOSFET)
El transistor MOSFET presenta prestacionessimilares a las del JFET aunque su estructura yfuncionamiento son diferentes.
Hay dos tipos: de acumulacin y de vaciamiento, decanal n o canal p.
En el MOSFET de acumulacin se debe aplicar unpotencial positivo entre Gate y Source (VGS > 0) para
que haya paso de corriente.
En el de vaciamiento, slo si ese potencial es menorque un umbral negativo se bloquea el paso decorriente.
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El transistor MOS de Efecto Campo (MOSFET)
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La estructura de un MOSFET (Metal OxidoSemiconductor FET), consta de cuatro terminales:Drain (D), Source (S), Gate (G) y Body o Sustrato (B).
En los NMOS (MOSFET de canal N), el sustrato esun semiconductor tipo p.
Generalmente, el sustrato se conecta a la fuente.
El Gate se halla aislada del sustrato por una fina
capa de dixido de silicio y por el terminal de lacompuerta fluye una corriente despreciable.
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Operacin del MOSFET
Cuando se aplica en Gate una tensin positivarespecto a Source, los electrones se ven atrados ala regin situada bajo Gate, inducindose un canal
de material de tipo n entre Drain y Source . Si se aplica entonces una tensin entre Drain y
Source, fluir una corriente desde Source a Drain atravs del canal.
La corriente de drenador est controlada por latensin aplicada en Gate.
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Operacin del MOSFET
Una vez creado el canal (VGS> VT) se aplica VDSconla polaridad adecuada para que pasen portadoresde la fuente al drenador.
Para valores pequeos de VDSel MOS se comportacomo una resistencia, pero llegar un momento enque la tensin entre el terminal de puerta y la zonadel canal inmediata al drenador no supere la VTcon
lo que desaparecen las cargas inducidas en esazona del canal por lo que la ID no sigueaumentando al aumentar VDSy se satura.
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Ganancia de tensin
Considerando el siguiente circuito:
VGSVGG
RG
RL
VDD
IDS
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Ganancia de tensin
Dado que IG 0, Rin. Pero si la capa de xidotiene algunas impurezas, Rin100M[].Como :
IDS= gm VGS (6.51)
A su vez:
|Vo| = IDSRL= gm VGSRL (6.52)
De esta forma:
(6.53)
D
Dm
G V cte
g
V
oV m L
GS
VA g R
V
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MOSFET de empobrecimiento
MOSFET de empobrecimiento: Las construccionesde los MOSFET de empobrecimiento de canal n y decanal p se muestran en las figuras 1 y 2,respectivamente.
En cada una de estas figuras se muestran laconstruccin, el smbolo, la caracterstica detransferencia y las caractersticas ID v/s VGS.
El MOSFET de empobrecimiento se construye(como se muestra en la figura 1(a) para el canal ny en la figura 2(a) para el canal p con un canalfsico construido entre el drenaje y la fuente cuando
se aplica una tensin, VDS.
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MOSFET de empobrecimiento
MOSFET de empobrecimiento de canal n
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MOSFET de empobrecimiento
Figura 2 MOSFET de empobrecimiento de canal p
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MOSFET de empobrecimiento
El MOSFET de empobrecimiento puede operar tantopara valores positivos como negativos de VGS.
Sin embargo, como la compuerta est aislada del
canal, la corriente de compuerta es sumamentepequea (10-12[A]) y VGS puede ser de cualquierpolaridad.
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MOSFET de empobrecimiento
Como se puede ver en las figuras 1(b) y 2(b), elsmbolo para el MOSFET posee un cuarto terminal,el sustrato.
La flecha apunta hacia adentro para un canal n yhacia afuera para un canal p.
El MOSFET de empobrecimiento de canal p, que semuestra en la figura 2, es igual que el de la figura 1,excepto que se invierten los materiales n y p al igualque las polaridades de las tensiones y corrientes.
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MOSFET de empobrecimiento
Curva caracterstica del MOSFET de empobrecimiento
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MOSFET de enriquecimiento
MOSFET de enriquecimiento: El MOSFET deenriquecimiento se muestra en la figura 3.
Este difiere del MOSFET de empobrecimiento en
que no tiene la capa delgada del material n sinoque requiere de una tensin positiva entre lacompuerta y la fuente para establecer un canal.
Este canal se forma por la accin de una tensin
positiva compuerta a fuente, VGS, que atraeelectrones de la regin del sustrato ubicada entre eldrenaje y la compuerta contaminados de tipo n.
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MOSFET de enriquecimiento
VGS> 0 provoca que los electrones se acumulen enla superficie inferior de la capa de xido.
Cuando la tensin alcanza el valor de umbral, VT,
han sido atrados a esta regin los electronessuficientes para que se comporte como canal nconductor.
No habr una corriente apreciableI
Dhasta que VGSexcede VT.
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MOSFET de enriquecimiento
No existe un valor IDSS para el MOSFET deenriquecimiento, ya que la corriente de drenaje escero hasta que el canal se ha formado. IDSSes cero
para VGS = 0. Para valores de VGS> VT, la corriente de drenaje en
saturacin se puede calcular de la ecuacin:
ID=k
(VGS- VT)2
(6.54)
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MOSFET de enriquecimiento
El valor de k depende de la construccin delMOSFET y, en principio, es funcin del largo yancho del canal. Un valor tpico para kes 0.3 m[A /
V2
]. La tensin de umbral, VT, es especificada por elfabricante.
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MOSFET de enriquecimiento
MOSFET de enriquecimiento de canal n
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MOSFET de enriquecimiento
Como se puede ver, exhibe caractersticas similarespero opuestas a las del MOSFET de enriquecimientode canal n
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MOSFET de enriquecimiento
MOSFET de enriquecimiento de canal p
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MOSFET de enriquecimiento
Aunque se halla ms restringido en su intervalo deoperacin que el MOSFET de empobrecimiento, elMOSFET de enriquecimiento es til en aplicacionesde circuitos integrados debido a su tamaopequeo y su construccin simple.
La compuerta para el MOSFET de canal n y de canalp es un depsito de metal en una capa de xido desilicio.
La construccin comienza con un material desustrato (de tipo p para canal n; de tipo n para canalp) sobre el cual se difunde material del tipo opuestopara formar la fuente y el drenaje.
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MOSFET de enriquecimiento
Ntese que el smbolo para el MOSFET de
enriquecimiento, que se ilustra en las ltimas dosfiguras, muestra una lnea quebrada entre fuente ydrenaje para indicar que no existe un canal inicial.
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MOSFETde enriquecimiento
A continuacin se presenta un ejemplo de la curvade un MOSFET de enriquecimiento canal n .
Como se puede observar, el voltaje Drain Source
(VDS) es de -15 [V], el voltaje Umbral (VT) es3 [V] yla corriente Drain (ID) es de 21m[A], esto paradistintos voltajes de GateSource (VGS).
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MOSFET de enriquecimiento
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Circuito equivalente de MOSFET
En los circuitos basados en MOSFET el transistor seutiliza polarizado en la regin de saturacinutilizando la configuracin de Source comn.
La seal alterna que se desea amplificar, vg, seintroduce superpuesta al voltaje de polarizacin deGate.
Respecto al circuito de salida del circuitoequivalente, el MOSFET se comporta como unafuente de corriente continua.
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Circuito equivalente de MOSFET
Id l b l t i t d Ef t d C d M t l id
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El nombre hace mencin a la estructura interna: Metal OxideSemiconductor Field Effect Transis tor (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
SCanal N
Conduccin debidaa electrones
D
GS
Canal P
Conduccindebida 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
Id l b l MOSFET d l i
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Curvas caractersticas del MOSFET
ID[mA]
VDS[V]
4
2
42 60
- Curvas de salida
- Curvas de entrada:No tienen inters (puerta aislada del canal)
VGS < VTH=2V
VGS = 2,5VVGS = 3V
VGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
Referenc ias n orm alizadas
+
-
VDS
ID
+-VGS
G
D
S
Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulacin
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VDS[V]
ID[mA]
4
2
84 120VGS = 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
2,5K
G
D
S
Zonas de trabajo
Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulacin
Comportamiento como fuente de corriente(sin inters en electrnica de potencia)
Id l b l MOSFET
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G
D
S
DS 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
Ideas generales sobre los MOSFETs
Estructura de los MOSFETs de Potencia
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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
Estructura de los MOSFETs de Potencia
Puerta
Drenador
Fuente
n+
n-p
n+ n+
Estructura planar
(D MOS)
Estructura entrinchera
(V MOS)
Drenador
n+
n-pn+
Puerta
Fuente
Encapsulados de MOSFETs de Potencia
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En general, semejantes a los de los diodos de potencia (excepto los
encapsulados axiales)
Existe gran variedadEjemplos: MOSFET de 60V
Encapsuladosde MOSFETs de Potencia
RDS(on)=9,4m, ID=12A RDS(on)=12m, ID=57A
RDS(on)=9m, ID=93ARDS(on)=5,5m, ID=86ARDS(on)=1.5m, ID=240A
Encapsulados de MOSFETs de Potencia
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Otros ejemplos de MOSFET de 60V
Encapsuladosde MOSFETs de Potencia
RDS(on)=3.4m, ID=90A
Caractersticas fundamentales de los MOSFETs de potencia
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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 pequeacirculacin de corriente corresponde (por ejemplo, 0,25 mA)
1 Mxima tensin drenador fuente
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1 Mxima tensin drenador-fuente
Baja tensin
15 V30 V
45 V
55 V
60 V
80 V
Media tensin
100 V150 V
200 V
400 V
Alta tensin
500 V600 V
800 V
1000 V
Ejemplo declasificacin
La mxima tensin drenador-fuente de representa como VDSS
o como V(BR)DSS
Ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potencia
2 Mxima corriente de drenador
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2 Mxima corriente de drenador
El fabricante suministra dos valores (al menos):
- Corriente continua mxima ID
- Corriente mxima pulsada IDM
La corriente continua mxima IDdepende de la
temperatura de la cpsula (moun t ing baseaqu)
A 100C, ID=230,7=16,1A
3 Resistencia en conduccin
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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)
3 Resistencia en conduccin
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3 Resistencia en conduccin
Comparando distintos dispositivos de valores de IDsemejantes,
RDS(on)crece con el valor de VDSS
3 Resistencia en conduccin
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3 Resistencia en conduccin
En los ltimos tiempos se han mejorado sustancialmente los valores
de RDS(on)en dispositivos de VDSSrelativamente alta (600-1000 V)
MOSFET de los aos 2000
MOSFET de 1984
4 Tensiones umbral y mximas de puerta
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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
4 Tensiones umbral y mximas de puerta
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4 Tensiones umbral y mximas de puerta
La tensin umbral cambia con la temperatura
4 Tensiones umbral y mximas de puerta
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e s o es u b a y as de pue ta
La mxima tensin soportable entre puerta y fuente es
tpicamente de 20V
5 Velocidad de conmutacin
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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 capacidadesparsitas 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
5 Velocidad de conmutacin
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Los fabricantes de MOSFET de potencia suministran informacin de
tres capacidades distintas de las anteriores, pero relacionadas con ellas:
- Ciss= Cgs+ Cgdcon 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
5 Velocidad de conmutacin
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Ejemplo de informacin de los fabricantes
Ciss= Cgs+ CgdCrss= CdgCoss= Cds + Cdg
5 Velocidad de conmutacin
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V1 R
C
Carga y descarga de un condensador desde una resistencia
ELMOSFETD
EPOTENCIA
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 = 0,5CV
1
2
En la descarga de C:- Energa perdida en R = 0,5CV12
Energa total perdida:CV1
2= V1
QCV1
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
5 Velocidad de conmutacin
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Anlisis de una conmutacin tpica en conversin de energa:
- Con carga inductiva
- Con diodo de enclavamiento
- Suponiendo diodo ideal
Cdg
Cgs
CdsV1 R
V2
IL
5 Velocidad de conmutacin
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Situacin de partida:
- Transistor sin conducir (en bloqueo) y diodo en conduccin
- Por tanto: vDG= V2, vDS= V2y vGS= 0iDT= 0 y iD= IL
+
-vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
CdsV1 R
V2
IL
iDT
iD
B
A
- En esa situacin, el
interruptor pasa de B a A
+
-
+
-
5 Velocidad de conmutacin
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iDT= 0 hasta que vGS= VGS(TO)
vDS= V2hasta que iDT= IL
+
-vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
CdsV1 R
V2
IL
iDT
iD
B
A
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
Pendiente determinadapor R, Cgsy por Cdg(V2)
+-
+-
+
-
5 Velocidad de conmutacinL i t d V t d R
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La corriente que da V1a travs de R se
emplea fundamentalmente en descargar
Cdg prcticamente no circulacorriente porCgs vGS= Cte
+
-vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
CdsV1 R
V2
IL
iDT
B
A
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
+-
+-
+
-
5 Velocidad de conmutacin C y C se continan
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Cgsy Cdgse continan
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
+
-vDS
vGS
+
-
+
-
vDG
Cdg
Cgs
CdsV1 R
V2
IL
iDT
B
A
+
-
V1Constante de tiempo determinadapor R, Cgsy por Cdg(V1)
+
-
5 Velocidad de conmutacin
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Valoracin de prdidas entre t0y t2:
- Hay que cargar Cgs(grande) y
descargar Cdg(pequea) VMvoltios
- Hay convivencia tensin corriente
entre t1y t2iDT
+
-vDS
vGS
+
-
Cdg
Cgs CdsV2
+
-
+
-
+
-
iDT
t0 t1 t2 t3
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
V1VM
PVI
5 Velocidad de conmutacin
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Valoracin de prdidas entre t2y t3:
- Hay que descargar Cdshasta 0 e
invertir la carga de Cdgdesde V2-VM
hasta -VM- Hay convivencia tensin corriente
entre t2y t3
V1VM
t0 t1 t2 t3
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
PVI
iDT= IL
+
-vDS
vGS
+
-
Cdg
Cgs Cds+-
+
-
+
- IL
iCds
iCdg+iCds+ILiCdg
5 Velocidad de conmutacin
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Valoracin de prdidas a partir de t3:
- Hay que acabar de cargar Cgsy Cdg
hasta V1
- No hay convivencia tensin
corriente salvo la propia de las
prdidas de conduccin
t0 t1 t2 t3
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
PVI
V1VM
iDT= IL
+
-vDS
vGS
+
-
Cdg
Cgs Cds+-
+
-
IL
iCdg
iL
5 Velocidad de conmutacin
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Valoracin de la rapidez de un dispositivo por la cargade puerta:
- La corriente que da la fuente V1es aproximadamente
constante entre t0y t3(comienzo de una exponencial,con IV1V1/R)- De t0a t2, la corriente IV1se ha encargado
esencialmente en cargar Cgs. Se ha suministrado unacarga elctrica Qgs
- De t2a t3, la corriente Iv1se ha encargado en invertir la
carga de Cdg. Se ha suministrado una carga elctrica Qdg- Hasta que VGS= V1se sigue suministrando carga. Qg
es el valor total (incluyendo Qgsy Qdg)
- Para un determinado sistema de gobierno (V1y R),cuanto menores sean Qgs, Qdgy Qgms rpido ser eltransistor
- Obviamente t2-t0QgsR/V1, t3-t2QdgR/V1y PV1=V1QgfS, siendo fSla frecuencia de conmutacin
vGS
iV1
t0 t2t3
V1
iV1 R
Qgs
Qdg
Q
g
5 Velocidad de conmutacin
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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
5 Velocidad de conmutacin
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Otro tipo de informacin suministrada por losfabricantes: conmutacin con carga resistiva
VDSV
GS
10%
90%
trtd on tftd off
td on: retraso de encendidotr: tiempo de subida
td off: retraso de apagado
tf: tiempo de bajada
+
-vDS
iDT
+
-
vGS
G
D
S+RG
RD
5 Velocidad de conmutacin
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Otro tipo de informacin suministrada por losfabricantes: conmutacin con carga resistiva
IRF 540
td on: retraso de encendidotr: tiempo de subida
td off: retraso de apagado
tf: tiempo de bajada
+
-vDS
iDT
+
-
vGS
G
D
S+RG
RD
Prdidas en un MOSFET de potencia
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Prdidas por convivencia tensin corriente entre drenador y fuente
vDS
iDT
vGS
PVI
Prdidas enconduccin
Prdidas en conmutacin
Pcond= RDS(on)iDT(rms)2
Won
Woff
Pconm= fS(won+ woff)
Prdidas en un MOSFET de potencia
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Prdidas en la fuente de gobierno
vGS
iV1
t0 t2t3
QgsQdg
Qg
PV1= V1QgfS
V1
iV1
R
Circuito terico
V1
iV1
RB
Circuito real
El diodo parsito de los MOSFETs de potencia
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El diodo parsito suele tener malas caractersticas, sobre
todo en MOSFETs de alta tensin
G
D
S
IRF 540
El diodo parsito de los MOSFETs de potencia
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El diodo parsito en un MOSFET de alta tensin
Caractersticas trmicasde los MOSFETs de potencia
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Es vlido todo lo comentado para los diodos de potencia
Este fabricante denomina mou nt ing base a la cpsulay suministra informacin de la RTHja= RTHjc+ RTHca