ELECTRÓNICA DE POTENCIA Primer Cuatrimestre ELECTRÓNICA DE POTENCIA Electrónica Industrial 5º Curso. Ingeniería Industrial Intensificación Electrotecnia

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Electrónica Industrial Primer Cuatrimestre Electrónica de Potencia Parte 1: Introducción Parte 2: Dispositivos de Potencia Parte 3: Conversiones Energéticas Parte 4: Aplicaciones Parte 5: Normativa TEMARIO ELECTRÓNICA DE POTENCIA Lección 4: Diodos de Potencia Lección 5: El Transistor bipolar de Potencia Lección 6: El MOSFET de Potencia Lección 7: El IGBT Lección 8: Tiristores Lección 9: Circuitos de control y gobierno Lección 10: Protección eléctrica de semiconductores Lección 11: Protección térmica de semiconductores Lección 12: Resistencias y condensadores de potencia Lección 13: Bobinas Lección 14: Transformadores

EL MOSFET DE POTENCIA Lección 6 Electrónica Industrial 5º Curso. Ingeniería Industrial Intensificación Electrotécnia

D G S D G S EL MOSFET DE POTENCIA El transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) Es un dispositivo unipolar: la conducción sólo es debida a un tipo de portador G D S Conducción debida a electrones Canal N EL MOSFET DE POTENCIA D G S Conducción debida a huecos Canal P Los más usados son los MOSFET de canal N La conducción es debida a los electrones y por tanto, son más rápidos

Referencias normalizadas Curvas características del MOSFET Referencias normalizadas Curvas de salida ID [mA] VDS [V] 4 2 6 + - VDS ID VGS G D S VGS = 4,5V VGS = 4V EL MOSFET DE POTENCIA VGS = 3,5V VGS = 3V VGS = 2,5V VGS < VTH = 2V Curvas de entrada: No tienen interés (puerta aislada del canal)

ID [mA] ID 4 + 2 VDS - VGS 8 12 VDS [V] Curvas características del MOSFET VDS [V] ID [mA] 4 2 8 12 + - VDS ID VGS 2,5KW 10V G D S VGS = 4,5V VGS = 4V Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente VGS = 3,5V VGS = 3V EL MOSFET DE POTENCIA VGS = 2,5V VGS < VTH = 2V Comportamiento como circuito abierto VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V < 4,5V

D S G D N+ G P- S + Precauciones en el uso de transistores MOSFET Substrato N+ G D S EL MOSFET DE POTENCIA 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.

Encapsulados de MOSFET TO 220 TO 247 EL MOSFET DE POTENCIA TO 3

Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET Tensión de ruptura Resistencia en conducción Corriente máxima Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales Baja tensión Media tensión Alta tensión EL MOSFET DE POTENCIA 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V 100 V 150 V 200 V 400 V 500 V 600 V 800 V 1000 V

D RDSon G S Resistencia en conducción (RDSon) EL MOSFET DE POTENCIA Es el parámetro más importante en un MOSFET El MOSFET en conducción se modela utilizando la RDSon G D S RDSon EL MOSFET DE POTENCIA Cuanto más baja es la resistencia, mejor es el transistor Este parámetro está directamente relacionado con la tensión de ruptura y con la capacidad de manejar corriente VDS RDSon ID RDSon

Ejemplos de MOSFETS comerciales VDS ID RDSon IRF 3205 55 V 110 A 8 m IRF 1405 55 V 169 A 5.3 m IRF 520 100 V 10 A 180 m IRF 3710 100 V 75 A 25 m EL MOSFET DE POTENCIA IRF 540 500 V 8 A 850 m IRFP 460 500 V 20 A 270 m IRFPG 30 1000 V 3 A 5  IRFPG 50 1000 V 6 A 2 

D G S Características de puerta Threshold voltage: VGS(th) El correcto manejo de la puerta es fundamental para utilizar un MOSFET Hay una tensión mínima para ponerlo en conducción: tensión umbral Threshold voltage: VGS(th) Valores típicos: 3 – 5 V Hay una tensión máxima de puerta. Por encima de ese valor, se rompe EL MOSFET DE POTENCIA Valores típicos: ± 15 V, ± 20 V El circuito equivalente entre puerta y fuente se modela como un condensador (Ciss) G D S Orden de magnitud: nF (Ciss)

Características de puerta Cuanto más alta es la tensión de puerta, menor es la RDSon Interesa manejarlo con la tensión más alta posible (dentro del margen) Curvas de salida reales de un MOSFET Influencia de la temperatura 25 ºC 175 ºC EL MOSFET DE POTENCIA

D G S Características de puerta EL MOSFET DE POTENCIA Para hacer que el MOSFET se abra y se cierre, debemos cargar y descargar el condensador de puerta G D S EL MOSFET DE POTENCIA Energía utilizada en cargarlo: Esa energía se pierde, por tanto, el hecho de manejar el MOSFET implica pérdidas

Ta : Temperatura ambiente Características fundamentales Resistencia Térmica RTHjc RTHca a j EL MOSFET DE POTENCIA c P (W) Ta Ta : Temperatura ambiente Los valores dependen fundamentalmente del tipo de encapsulado

D G S D G S Características dinámicas EL MOSFET DE POTENCIA Crss Coss La rapidez de las conmutaciones depende en gran medida del modo en que se maneje la puerta G D S El diodo parásito es lento. Si el diodo está conduciendo, aunque el MOSFET se abra, el diodo puede seguir conduciendo un cierto tiempo Además de la capacidad de puerta, hay otros dos condensadores EL MOSFET DE POTENCIA D Capacidad de transferencia Crss Coss Capacidad de salida G S Valores reales

Características dinámicas Los condensadores influyen fuertemente en las conmutaciones D VDS VDSmax Crss Coss VDS 0 V G S VGS VGS EL MOSFET DE POTENCIA Se necesita una cierta cantidad de energía para cargar los condensadores Al cargar el condensador de puerta se produce un cambio en la impedancia del condensador Crss. Efecto Miller VGS Forma de onda que genera este cambio de impedancia QGD

VDS VGS Características dinámicas EL MOSFET DE POTENCIA td(on) tF Definición de tiempos de conmutación VDS VGS 90% 10% EL MOSFET DE POTENCIA td(on) tF td(off) tR tR : tiempo de subida tF : tiempo de bajada td(on) : Retraso de encendido td(off) : Retraso de apagado

VGS VDS ID Características dinámicas VGS(th) EL MOSFET DE POTENCIA Las conmutaciones no son ideales Durante un cierto tiempo conviven tensión y corriente VGS VGS(th) VDS EL MOSFET DE POTENCIA ID PMosfet PÉRDIDAS

ID D RDSon G S Características dinámicas Pconducción = RDSon· Ief2 Pérdidas de conducción ID G D S RDSon T Pconducción = RDSon· Ief2 EL MOSFET DE POTENCIA Pérdidas de conmutación PMosfet Cálculo del valor medio de la forma de onda