Selección de dispositivos electrónicos de potencia

(1)

Selección de dispositivos electrónicos de potencia

Universidad de Oviedo

Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia

4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de

Telecomunicación

Lección 2

(2)

• El Diodo de potencia

• El MOSFET de potencia

• El Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT)

• El Rectificador Controlado de Silicio (SCR)

• El Tiristor Apagado por Puerta (GTO)

• El Triodo de Corriente Alterna (TRIAC)

Dispositivos a estudiar

Nuevos

para

vosotros

(3)

Encapsulados de diodos

D IO D O S D E P O T E N C IA

•

Axiale s

DO 35 DO 41 DO 15 DO 201

(4)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Para usar radiadores

(5)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Para grandes potencias

B 44

DO 5

(6)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Agrupaciones de 2 diodos

2 diodos en cátodo común 2 diodos en serie

(7)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)

(8)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar)

Nombre del dispositivo

(9)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo

Nombre del

dispositivo Encapsulados

(10)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

Dual in line

(11)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

(12)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor

(13)

Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Dan origen a módulos de potencia

- Adecuados para alta potencia y relativa alta frecuencia - Minimizan las inductancias parásitas del conexionado

- Se usan en aplicaciones industriales, espaciales, militares, etc - Se pueden pedir a medida

Control de Motores

Electrónica militar

(14)

Circuito equivalente estático

V

_

r

_d

Modelo asintótico

ideal

0 i

V

_

• Circuito equivalente asintótico

Curva característica asintótica.

Pendiente = 1/r_d Curva

característica ideal

D IO D O S D E P O T E N C IA

Curva característica real

(15)

D IO D O S D E P O T E N C IA

Características fundamentales de cualquier diodo

1ª -Máxima tensión inversa soportada 2ª -Máxima corriente directa conducida 3ª -Caída de tensión en conducción 4ª -Corriente inversa en bloqueo 5ª -Velocidad de conmutación

Baja tensión 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V

Alta tensión 500 V 600 V 800 V 1000 V 1200 V 1ª Máxima tensión inversa soportada

Media tensión 100 V 150 V 200 V 400 V Ejemplo de

clasificación

• Corresponde a la tensión de ruptura de la unión inversamente polarizada

(16)

D IO D O S D E P O T E N C IA

1ª Máxima tensión inversa soportada

• El fabricante suministra (a veces) dos valores:

- Tensión inversa máxima de pico repetitivo V_RRM - Tensión inversa máxima de pico no repetitivo V_RSM

La tensión máxima es crítica. Superarla suele ser determinante del deterioro irreversible del componente

(17)

D IO D O S D E P O T E N C IA

2ª Máxima corriente directa conducida

• El fabricante suministra dos (y a veces tres) valores:

- Corriente eficaz máxima I_F(RMS)

- Corriente directa máxima de pico repetitivo I_FRM - Corriente directa máxima de pico no repetitivo I_FSM

Depende de la cápsula

(18)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• La caída de tensión en conducción (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece

linealmente

3ª Caída de tensión en conducción

i

V

_

r

_d

ideal

I_D

V_D 5 A

(19)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• La caída de tensión en conducción crece con la máxima tensión soportable por el diodo

(20)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Se obtiene directamente de las curvas tensión corriente

I_F(AV) = 4A, V_RRM = 200V

I_F(AV) = 5A, V_RRM = 1200V

1,25V @ 25A

2,2V @ 25A

• En escala lineal no son muy útiles

• Frecuentemente se representan en escala logarítmica

(21)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Curva característica en escala logarítmica

0,84V @ 20A

1,6V @ 20A

I_F(AV) = 25A, V_RRM = 200V

I_F(AV) = 22A, V_RRM = 600V

(22)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Los Schottky tienen mejor comportamiento en

conducción para V_RRM < 200 (en silicio)

0,5V @ 10A

(23)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Schottky de V_RRM relativamente alta

0,69V @ 10A

La caída de tensión en conducción no sólo va creciendo al aumentar V_RRM, sino que se aproxima a la de un diodo PN

(24)

D IO D O S D E P O T E N C IA

Schottky

PN Similares valores

de V_RRM y similares caídas de tensión

en conducción

(25)

• Depende de los valores de I_F(AV) y V_RRM, de la tensión inversa (poco) y de la temperatura (mucho)

• Algunos ejemplos de diodos PN

D IO D O S D E P O T E N C IA

4ª Corriente de inversa en bloqueo

I_F(AV) = 4A, V_RRM = 200V

I_F(AV) = 5A, V_RRM = 1200V I_F(AV) = 8A, V_RRM = 200V

Crece con I_F(AV) Crece con T_j

(26)

D IO D O S D E P O T E N C IA

4ª Corriente de inversa en bloqueo

I_F(AV) = 10A, V_RRM = 170V I_F(AV) = 10A, V_RRM = 40V

• Dos ejemplos de diodos

Schottky • Decrece con V_RRM

• Crece con I_F(AV)

• Crece con T_j

(27)

Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado)

a b

V

₁

V

₂

R i

V + i -

V

t t

V

₁

/R

-V

₂

D IO D O S D E P O T E N C IA

5ª Velocidad de conmutación

• Comportamiento ideal de un diodo en conmutación

(28)

a b V

₁

V

₂

R i

V +

-

Transición de “a” a “b”

, es decir, de conducción a bloqueo (apagado)

i

V

t

_rr

V

₁

/R

-V

₂

/R

t

_s

t

_f

^{(i= -0,1·V}

₂

^/R)

-V

₂

t_s = tiempo de almacenamiento (storage time )

t_f = tiempo de caída (fall time ) t_rr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time )

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Comportamiento real de un diodo en conmutación

(29)

a b V

₁

V

₂

R i

V +

-

i

t_d = tiempo de retraso (delay time ) t_r = tiempo de subida (rise time )

t_fr = t_d + t_r = tiempo de recuperación directa (forward recovery time )

t

_r

0,9·V

₁

/R

t

_d

0,1·V

₁

/R

t

_fr

El tiempo de recuperación directa genera menos problemas reales que el de recuperación inversa

D IO D O S D E P O T E N C IA

Transición de “b” a “a”

, es decir, de bloqueo conducción (encendido)

• Comportamiento real de un diodo en conmutación 5ª Velocidad de conmutación

(30)

D IO D O S D E P O T E N C IA

I_F(AV) = 8A, V_RRM = 200V

• Información suministrada por los fabricantes

• Corresponde a

conmutaciones con cargas con comportamiento

inductivo

(31)

D IO D O S D E P O T E N C IA

5ª Velocidad de conmutación ^• Más información suministrada por los fabricantes

STTA506D

(32)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• La velocidad de conmutación (valorada con la t_rr) ayuda a clasificar los diodos

Las características de todos los semiconductores (por supuesto, también de los diodos) se pueden encontrar en Internet (pdf)

www.irf.com

www.onsemi.com www.st.com

www.infineon.com Direcciones web

• Standard

• Fast

• Ultra Fast

• Schottky

V_RRM I_F t_rr

100 V - 600 V 100 V - 1000 V 200 V - 800 V 15 V - 150 V (Si)

300 V – 1200 V (SiC)

> 1 s

100 ns – 500 ns 20 ns – 100 ns

< 2 ns 1 A – 150 A

1 A – 50 A 1 A – 50 A 1 A – 50 A

< 2 ns 1 A – 20 A

(33)

D IO D O S D E P O T E N C IA

Pérdidas en diodos

• Son de dos tipos:

- Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) - Dinámicas

V

_

r

_d

ideal

i

_D

Potencia instantánea perdida en conducción:

p_Dcond (t) = v_D (t)·i_D (t) = (V_ + r_d · i_D(t))·i_D(t)

P

_Dcond

= V

_

·I

_M

+ r

_d

· I

_ef²

I_M : Valor medio de i_D(t) I_ef : Valor eficaz de i_D(t) Pérdidas estáticas en un diodo

i

_D Forma de onda frecuente

Potencia media en un periodo:

 Þ



T

0

Dcond

Dcond p (t)·dt

T P 1

(34)

t

_f

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Las conmutaciones no son perfectas

• Hay instantes en los que conviven tensión y corriente

• La mayor parte de las pérdidas se producen en la salida de conducción

i

_D

t

V

_D

t

Pérdidas dinámicas (pérdidas de conmutación) en un diodo

0,8 V

-200 V 10 A

3 A Potencia instantánea perdida

en la salida de conducción:

p_Dsc (t) = v_D (t)·i_D (t)

Potencia media en un periodo:





trr

0

Dsc

D p (t)·dt

T P 1

(35)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Estáticas

Información de los fabricantes sobre pérdidas

(de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)

(36)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Dinámicas

(de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)

(37)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• Dinámicas

(de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)

(38)

D IO D O S D E P O T E N C IA

Características Térmicas

• Las pérdidas generan calor y éste debe ser evacuado

• El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de 175-150ºC

Si

j

Unión (oblea)

c

Encapsulado

a

Ambiente P

(W)

• Magnitudes térmicas:

- Resistencias térmicas, R_TH en ºC/W - Increm. de temperaturas, ΔT en ºC - Potencia perdida, P en W

• Ley “de Ohm” térmica: ΔT=P·R_TH

R

_THjc

R

_THca

• Magnitudes eléctricas:

- Resistencias eléctricas, R en Ω - Difer. de tensiones, V en voltios - Corriente, I en A

R_TH

Þ

^R

ΔT

Þ

^V

P

Þ

^I

Equivalente eléctrico

(39)

D IO D O S D E P O T E N C IA

Ambiente

Si

j

Unión

Encapsulado

c

P

a

(W)

R

_THjc

R

_THca

R_TH

Þ

^R

ΔT

Þ

^V

P

Þ

^I

Equivalente eléctrico

P R_THjc R_THca

T

_a

j c

a

0 K

T

_C

T

_J

Por tanto:

ΔT = P·ΣR

_TH

Þ T

_j

-T

_a

= P·(R

_THjc

+ R

_THca

)

Y también:

T

_j

-T

_C

= P·R

_THjc ^y

T

_c

-T

_a

= P·R

_THca

(40)

D IO D O S D E P O T E N C IA

• La resistencia térmica unión-cápsula es baja ( 0,5-5 ºC/W)

• La resistencia térmica cápsula-ambiente es alta ( 30-100 ºC/W)

• Para reducir la temperatura de la unión hay que disminuir la resistencia térmica entre la cápsula y el ambiente.

• Para ello se coloca un

radiador

en la cápsula.

I_F(AV) = 5A, V_RRM = 1200V

Cápsula TO 3 TO 5 TO 66 TO 220 TOP 3

R_THca [ºC/W] 30 105 45 60 40

(41)

D IO D O S D E P O T E N C IA

j c

P R_THjc

R_THca

T

_a

a

0º K

T

_C

T

_J

Por tanto:

^T

_j

^-T

_a

^{= P·[R}

_THjc

^{+ (R}

_THca

^R

_THrad

^)/(R

_THca

^+R

_THrad

^)]

Y también:

T

_j

-T

_C

= P·R

_THjc y

T

_c

-T

_a

= P·(R

_THca

R

_THrad

)/(R

_THca

+R

_THrad

)]

Ambiente

Si

j

Unión

Encapsulado

c

P

a

(W)

R

_THjc

R

_THca

R

_THrad

R_THrad

(42)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

V

_DS

[V]

I

_D

[mA]

4

2 4 8 12

0

V_GS= 2,5V V_GS= 3V

V

_GS

= 3,5V V

_GS

= 4V

V

_GS

= 4,5V

V

_GS

= 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V

Comportamiento resistivo

V_GS< V_TH = 2V

< 4,5V

Comportamiento como circuito abierto

10V

+ - V

_DS

I

_D

+

- V

_GS

2,5KW

G

D

S

• Zonas de trabajo de un MOSFET de señal

Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación de señal

Comportamiento como fuente de corriente (sin interés en electrónica de potencia)

(43)

G

D

S

D

S G

+

P

^-

Substrato

N

⁺

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

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación de señal

(44)

G

D 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 (dispositivos verticales):

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

Estructura de los MOSFETs de Potencia

Puerta

Drenador Fuente

n

⁺

n

^-

p

n

⁺

n

⁺

Estructura planar (D MOS)

Estructura en trinchera

(V MOS) Drenador

n

⁺

n ^p

^-

n

⁺

Puerta Fuente

(45)

• En general, semejantes a los de los diodos de potencia (excepto los encapsulados axiales)

• Existe gran variedad de encapsulados

• Ejemplos: MOSFET de 60V

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

Encapsulados de MOSFETs de Potencia

R_DS(on)=9,4mW, I_D=12A

R_DS(on)=12mW, I_D=57A

R_DS(on)=9mW, I_D=93A R_DS(on)=5,5mW, I_D=86A

R_DS(on)=1.5mW, I_D=240A

(46)

• Otros ejemplos de MOSFET de 60V

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

Encapsulados de MOSFETs de Potencia

R_DS(on)=3.4mW, I_D=90A

(47)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

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 -Proceso 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)

MOSFET con puerta en trinchera

Drenador

N

⁺

N

^-

N

⁺ P

Fuente Puerta

Diodo Fuente–

Drenador

(48)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

1ª Máxima tensión drenador-fuente

Baja tensión 15 V

30 V 45 V 55 V 60 V 80 V

Media tensión 100 V

150 V 200 V 400 V

Alta tensión 500 V 600 V 800 V 1000 V 1200 V (SiC) Ejemplo de

clasificación

• La máxima tensión drenador-fuente de representa como V_DSS o como V_(BR)DSS

• Ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potencia

(49)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

2ª Máxima corriente de drenador

• El fabricante suministra dos valores (al menos):

- Corriente continua máxima I_D - Corriente máxima pulsada I_DM

• La corriente continua máxima I_D depende de la temperatura de la cápsula (mounting base

aquí)

A 100ºC, I_D=23·0,7=16,1A

(50)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

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 R_DS(on)

• Para un dispositivo particular, crece con la temperatura

• Para un dispositivo particular, decrece con la tensión de puerta. Este decrecimiento tiene un límite.

Drain-source On Resistance, R_DS(on) (Ohms)

(51)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Comparando distintos dispositivos de valores de I_D semejantes, R_DS(on) crece con el valor de V_DSS

(52)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• En los últimos tiempos se han mejorado sustancialmente los valores de R_DS(on) en dispositivos de V_DSS relativamente alta (600-1000

V)

MOSFET de los años 2000 MOSFET de



¹⁹⁸⁴

(53)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

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 V_GS(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

(54)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• La tensión umbral cambia con la temperatura

(55)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• La máxima tensión soportable entre puerta y fuente es típicamente de ± 20V

(56)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

5ª Proceso 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:

- C_gs, capacidad de lineal

- C_ds, capacidad de transición C_ds  k/(V_DS)^1/2

- C_dg, capacidad Miller, no lineal, muy importante

S D

G C

_dg

C

_gs

C

_ds

(57)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Los fabricantes de MOSFET de potencia suministran información de tres capacidades distintas de las anteriores, pero relacionadas con

ellas:

- C

_iss

= C

_gs

+ C

_gd

con V

_ds

=0 ( capacidad de entrada) - C

_rss

= C

_dg

(capacidad Miller)

- C

_oss

= C

_ds

+ C

_dg

( capacidad de salida)

C_iss

C_oss

(58)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Ejemplo de información de los fabricantes

C

_iss

= C

_gs

+ C

_gd

C

_rss

= C

_dg

C

_oss

= C

_ds

+ C

_dg

(59)

V

₁

R

C

Carga y descarga de un condensador desde una resistencia

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• 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 = V₁Q_CV1

• 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 las fuentes de corriente dependientes que caracterizan la operación estática del MOSFET

(60)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Análisis de una conmutación típica en conversión de energía:

- Con carga inductiva

- Con diodo de enclavamiento - Suponiendo diodo ideal

C

_dg

C

_gs

C

_ds

V

₁

R

V

₂

I

_L

(61)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Situación de partida:

- Transistor sin conducir (en bloqueo) y diodo en conducción - Por tanto:

 v_DG = V₂, v_DS = V₂ y v_GS = 0

 i_DT = 0 y i_D = I_L

+

-

v

_DS

v

_GS

+ -

v

_DG

C

_dg

C

_gs

C

_ds

V

₁

R

V

₂

I

_L

i

_DT

i

_D

B A

- En esa situación, el interruptor pasa de “B” a “A”

+ - +

-

(62)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• i_DT = 0 hasta que v_GS = V_GS(TO)

• v_DS = V₂ hasta que i_DT = I_L

+

-

v

_DS

v

_GS

+ -

v

_DG

C

_dg

C

_gs

C

_ds

V

₁

R

V

₂

I

_L

i

_DT

i

_D

B A

V

_GS(TO)

v

_DS

i

_DT

v

_GS

B®A

I

_L

Pendiente determinada por R, C_gs y por C_dg(V₂)

+

- +

-

(63)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• La corriente que da V₁ a través de R se emplea fundamentalmente en descargar C_dg Þ prácticamente no circula corriente por C_gsÞ v_GS = Cte

+

-

v

_DS

v

_GS

+ -

v

_DG

C

_dg

C

_gs

C

_ds

V

₁

R

V

₂

I

_L

i

_DT

B A

V

_GS(TO)

v

_DS

i

_DT

v

_GS

B®A

I

_L

+ -

+ - +

-

(64)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• C_gs y C_dg se continúan cargando

V

_GS(TO)

v

_DS

i

_DT

v

_GS

B®A

I

_L

+

-

v

_DS

v

_GS

+ -

v

_DG

C

_dg

C

_gs

C

_ds

V

₁

R

V

₂

I

_L

i

_DT

B A

+ -

V

₁

Constante de tiempo determinada por R, C_gs y por C_dg (medida a V₁)

+ -

(65)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Valoración de pérdidas entre t₀ y t₂:

- Hay que cargar C_gs (grande) y descargar C_dg (pequeña) V_M voltios

(energía perdida en el circuito de mando)

- Hay convivencia tensión corriente entre t₁ y t₂ (energía perdida en la fuente de corriente dependiente del MOSFET)

i

_DT

+

-

v

_DS

v

_GS

+ - C

_dg

C

_gs

C

_ds

V

₂

+ -

i

_DT

t

₀

t

₁

t

₂

t

₃

V

_GS(TO)

v

_DS

i

_DT

v

_GS

B®A

I

_L

V

₁

V_M

P

_VI

Valoración de pérdidas de entrada en conducción (caso de conmutaciones sin recuperación de energía)

(66)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

5ª Proceso de conmutación • Valoración de pérdidas entre t₂ y t₃:

- Hay que descargar C_ds hasta 0

(energía perdida en el transistor) e invertir la carga de C_dg desde V₂-V_M hasta -V_M (energía perdida transistor y en el circuito de mando)

- Hay convivencia tensión corriente entre t₂ y t₃ (energía suministrada externamente al transistor y perdida)

V

₁

V_M

t

₀

t

₁

t

₂

t

₃

V

_GS(TO)

v

_DS

i

_DT

v

_GS

B®A

I

_L

P

_VI

i

_DT

= I

_L

+

-

v

_DS

v

_GS

+ - C

_dg

C

_gs

C

_ds

+ -

+

-

I

_L

i

_Cds

i

_Cdg

+i

Cds

+I

L

i

_Cdg

(67)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Valoración de pérdidas a partir de t₃:

- Hay que acabar de cargar C_gs y C_dg hasta V₁

- No hay convivencia tensión corriente salvo la propia de las pérdidas de conducción

t

₀

t

₁

t

₂

t

₃

V

_GS(TO)

v

_DS

i

_DT

v

_GS

B®A

I

_L

P

_VI

V

₁

V_M

i

_DT

= I

_L

+

-

v

_DS

v

_GS

+ - C

_dg

C

_gs

C

_ds

+ -

-+

I

_L

i

_Cdg

i

_L

(68)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• 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 I_V1 V₁/R)

- De t₀ a t₂, la corriente I_V1 se ha encargado esencialmente en cargar C_gs. Se ha suministrado una carga eléctrica Q_gs

- De t₂ a t₃, la corriente I_v1 se ha encargado en invertir la carga de C_dg. Se ha suministrado una carga eléctrica Q_dg - Hasta que V_GS = V₁ se sigue suministrando carga. Q_g es el valor total (incluyendo Q_gs y Q_dg)

- Para un determinado sistema de gobierno (V₁ y R), cuanto menores sean Q_gs, Q_dg y Q_g más rápido será el transistor

- Obviamente t₂-t₀  Q_gsR/V₁, t₃-t₂  Q_dgR/V₁ y P_V1 = V₁Q_gf_S, siendo f_S la frecuencia de conmutación

v

_GS

i

_V1

t

₀

t

₂

t

₃

V

₁

i

_V1

R

Q

_gs

Q

_dg

Q

_g

(69)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Valoración de la rapidez de un dispositivo por la “carga de puerta”:

Información de los fabricantes IRF 540

MOSFET de los años 2000

BUZ80 MOSFET de 1984

(70)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

• Otro tipo de información suministrada por los fabricantes:

conmutación con carga resistiva (no es importante para nosotros)

V

_DS

V

_GS

10%

90%

t

_r

t

_{d on}

t

_{d off}

t

_f

t_{d on}: retraso de encendido t_r: tiempo de subida

t_{d off}: retraso de apagado t_f: tiempo de bajada

+ - v

_DS

i

_DT

+

- v

_GS

G

D

+

S

R

_G

R

_D

(71)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

IRF 540

t_{d on}: retraso de encendido t_r: tiempo de subida

t_{d off}: retraso de apagado t_f: tiempo de bajada

+ - v

_DS

i

_DT

+

- v

_GS

G

D

+

S

R

_G

R

_D

• Otro tipo de información suministrada por los fabricantes:

conmutación con carga resistiva (no es importante para nosotros)

(72)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

Pérdidas en un MOSFET de potencia

• Pérdidas por convivencia tensión corriente entre drenador y fuente

v

_DS

i

_DT

v

_GS

P

_VI

Pérdidas en conducción

Pérdidas en conmutación

P

_cond

= R

_DS(on)

i

_DT(rms)²

W_on W_off

P

_conm

= f

_S

(w

_on

+ w

_off

)

(73)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

Pérdidas en un MOSFET de potencia

• Pérdidas en la fuente de gobierno

v

_GS

i

_V1

t

₀

t

₂

t

₃

Q

_gs

Q

_dg

Q

_g

P

_V1

= V

₁

Q

_g

f

_S

V

₁

i

_V1

R

Circuito teórico

V

₁

i

_V1

R

_B

Circuito real

(74)

E L M O S F E T D E P O T E N C IA

El diodo parásito de los MOSFETs de potencia