Capacidades internas del MOSFET

El MOSFET es un dispositivo semiconductor en el cual la corriente es conducida por portadores mayoritarios, y no es necesario inyectar o extraer cargas del mismo, como los portadores minoritarios de la base del BJT, para las operaciones de encendido y apagado. La velocidad de conmutaci´on depende entonces fundamentalmente de las capacidades entre las distintas regiones y electrodos de contacto, de cu´an r´apido sea posible cargarlas y descargarlas. La velocidad resulta entonces mucho mayor que la de cualquier otro dispositivo, pudi´endose utilizar en convertidores trabajando con frecuencias de conmutaci´on del orden de los MHz.

De todas formas las capacidades ponen l´ımites a la velocidad de conmutaci´on, ya que se cargan y descargan a trav´es de la resistencia de salida de los circuitos

DC

Figura 7.16: Zona de operaci´on segura de un MOSFET IRFPG 50 (International

Rectifier Technical Library)

de comando. Esa resistencia no puede ser cero, ya que las transiciones podr´ıan producir resonancias entre las capacidades mencionadas y las inductancias intr´ınsecas de los conductores de contacto. El modelo b´asico de dispositivo de comando consiste en una llave que conecta el gate alternativamente a una fuente ideal positiva o a una fuente negativa, a trav´es de una resistencia externa Rg. El valor

m´ınimo de Rg est´a dado por el fabricante. Los tiempos de conmutaci´on est´an

entonces determinados por la carga de las capacidades a trav´es de la resistencia Rg. Como Rg es del orden a algunos ohms, y las capacidades asociadas al gate

valen algunos nF, los tiempos de conmutaci´on de los MOSFETs quedan en el orden de decenas de ns, con lo cual conmutan hasta dos ´ordenes de magnitud m´as r´apido que los BJT. El gate tambi´en tiene cierta resistencia entre el contacto y las celdas, debida a su estructura y al material usado (usualmente silicio policristalino).

El retardo introducido por el desplazamiento de cargas en la zona de drif t tambi´en contribuye a limitar la velocidad del MOSFET.

n+ p n- D S G n+ n+ p CDS CGD CGS1 CGS4 CGS2 CGS3 CGS = Σ CGSi

Figura 7.17: Capacidades del MOSFET

La figura 7.17 ilustra aproximadamente el comportamiento de las distintas capacidades:

la capacidad gate - source, Cgs tiene el mayor valor, y es pr´acticamente

constante ya que queda determinada por la geometr´ıa del gate y la metalizaci´on del source.

La capacidad gate - drain, Cgd, es la capacidad entre el gate y la zona

n− _{conductora fuera de la zona de deplexi´on formada por la polarizaci´on}

directa drain - source. El diel´ectrico de esta capacidad es la zona de ´oxido y la zona empobrecida de portadores contigua a la zona del gate. Por lo tanto esta capacidad depende fuertemente de la tensi´on drain - source, aproxim´andose al valor de Cgsa tensi´on UDS = 0 y disminuyendo

r´apidamente con UDS creciente. Con tensi´on UDS del orden de la tensi´on

UGS de comando del MOSFET (10-15V) la capacidad es ya de 30 a 40

veces menor que con UDS ≈ 1V .

A efectos de estudiar la conmutaci´on la capacidad Cgdpuede modelarse como

en la figura 7.18b).

Se asume que Cgd tiene un valor Cgd1 para tensiones mayores que la tensi´on

de comando de gate (llave todav´ıa abierta) y un valor Cgd2 mucho mayor para

tensiones menores que UGSde comando (llave cerr´andose) (Mohan et al. 1995).

La capacidad drain - source Cdsdisminuye levemente con la tensi´on pero con

mucho menor pendiente que Cgd. Cds no interviene directamente en el proceso

de encendido y apagado. S´ı debe ser tenida en cuenta para el dimensionado de circuitos de protecci´on (snubbers) ya que es la que entra en resonancia con inductancias de fugas de transformadores o de de conductores y determina por lo

C (nF) U_DS C (nF) UDS CGS CDS CGD CGDreal CGDidealizada 10V ≈ UGSencendido 50V CGD1 C_GD1≈ 50-100 pF CGD2≈ 2 nF CGD2 ~ 3 nF

a)

b)

Figura 7.18: Variaci´on de las capacidades con la tensi´on UDS

tanto los circuitos de amortiguaci´on de oscilaciones, por ejemplo en el apagado, cuando la tensi´on UDS llega al m´aximo y la corriente se anula.

Capacidades equivalentes

Los fabricantes dan valores de capacidades medidos en determinadas condiciones. Estas son la capacidad de entrada Ciss, la capacidad de salida en source com´un

Coss y la capacidad de transferencia inversa Crss (a veces llamada capacidad

Miller). En las hojas de datos figuran esos valores a UDS ≈ 25V y las curvas de

variaci´on con la tensi´on UDS. Las capacidades del fabricante se pueden expresar

en funci´on de las capacidades del dispositivo de la siguiente forma:

Ciss= Cgs+ Cgd (7.16)

, medida con Cds cortocircuitada.

Crss= Cgd (7.17)

Coss= Cds+ Cgs.Cgd

Cgs+ Cgd

≈ Cds+ Cgd(Cgscortocircuitada) (7.18)

Las medidas se realizan a 1MHz, entre los electrodos a cortocircuitar se pone un condensador de capacidad suficientemente grande como para que represente un cortocircuito a esa frecuencia. De esa forma se puede estudiar la dependencia con la tensi´on UDS.

Cisses la capacidad vista por el circuito de comando de gate del MOSFET.

Crss es la capacidad a trav´es de la cual la variaci´on de tensi´on UDS durante

las transiciones influye en la tensi´on de gate, produci´endose una realimentaci´on llamada ”efecto Miller”. Coss es la capacidad vista por el circuito externo de

potencia, y es la que interact´ua con los dem´as componentes par´asitos, por ejemplo produciendo oscilaciones con las inductancias al subir la tensi´on y anularse la corriente en el apagado. En el estudio de la conmutaci´on se utilizar´an los valores del dispositivo Cgs y Cgd. La capacidad Cds no interviene en la

conmutaci´on.