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Principios de electrónica de potencia
CLASE 3 B Transistores MOSFET e IGBT
Conceptos generales sobre MOSFET Limitaciones del MOSFET Conceptos generales sobre IGBT Prueba de un IGBT específico Propiedades relativas de los componentes electrónicos de conmutación Ejemplos y Ejercicios
Conceptos generales sobre MOSFET.
Transistores de efecto de campo (FET)
Los transistores de efecto de campo (JFET o MOSFET), se utilizan en aplicaciones que coinciden en gran medida con los BJT, con los que tienen características compartidas pero también ciertas diferencias. Se trata de semiconductores modernos que han llegado para sustituir a los BJT en muchos de sus roles.
Ya se ha visto que los BJT son componentes controlados por una pequeña IB.
Tienen tres terminales denominados compuerta (G), drenaje (D) y fuente (S).
Por otra parte los FET son semiconductores controlados por una pequeña tensión VGS aplicada entre la compuerta (G) y la fuente (S), cuya corriente de compuerta es prácticamente igual a cero (IG = 0 A).
Analicemos la constitución cristalina de un JFET y su funcionamiento:
La diferencia entre JFET y MOSFET es que en los JFET un campo eléctrico controla el ancho de una región de agotamiento, hasta que la conductividad del canal desaparece y el transistor ya no conduce (ID = 0 A).
Finalmente los Mosfet de ensanchamiento no existe ningún canal previo. Al aplicar una tensión a la compuerta (VGS) se crea el canal y el transistor empieza a conducir corriente ID.
En los MOSFET de estrechamiento , existe un canal pre-construido de fábrica. El campo eléctrico aplicado a la compuerta (VGG) cierra el canal.
Simbología aplicada para los diferentes tipos de FET:
La gráfica anterior muestra las zonas de operación del MOSFET. La casi vertical se denomina “ zona óhmica ” y la horizontal “ zona activa ” donde tenemos “ corte ” y “ saturación ”.
Específicamente el mosfet de enriquecimiento puede operar en cualquiera de estas dos zonas, esto es como una resistencia de valor variable por tensión en la zona óhmica, o como amplificador o fuente de corriente constante en la zona activa. Aunque su uso principal suele ser dentro de la zona óhmica.
El paso a una u otra de estas zonas está dado por el valor de la tensión de
Clasificación de los Mosfet de acuerdo a su funcionamiento:
Ensanchamiento (incremental)
Estrechamiento (decremental)
De acuerdo a la combinación y dopado de los cristales pueden ser:
Canal N Canal P Polarización.
Tal como ocurre con los semiconductores vistos hasta ahora, los FET en general requieren de una apropiada polarización en CC para funcionar correctamente. Aunque podrían no requerir resistores limitadores.
En la imagen podemos ver una polarización de un JFET realizada con dos fuentes y los parámetros más relevantes.
Definiremos como VT al mínimo valor de VGS que permite la conducción del transistor.
Se verá que el valor de VT es superior a VBE (0,7V) de los BJT.
Recordemos el funcionamiento de un Mosfet de estrechamiento de canal N. Al aplicar VGS < 0 V se produce un estrechamiento del canal N a medida que VGS disminuye. Esto sigue hasta que el canal se cierra completamente.
Lo interesante es que este tipo de FET funciona con valores positivos de VGS , ensanchando el canal y, consecuentemente, incrementando IDS.
Por otra parte, es necesario señalar que los Mosfet de ensanchamiento, la otra versión de los Mosfet, son ideales para circuitos digitales (computadoras, celulares, etc), donde son utilizados como interruptores para el procesamiento de señales digitales (0 y 1).
Curvas de entrada y salida de un MOSFET de ensanchamiento, canal N
Si bien las curvas de un Mosfet son muy similares a las de los BJT, se puede observar que resultan ser mucho más paralelas.
Estas curvas representan los cambios de ID al ir variando VDS, con diferentes valores fijos de VGS. Esto significa que:
Como ya vimos en párrafos anteriores, los Mosfet se controlan a partir de (VGS). Por otra parte es posible indicar que en la práctica la corriente de compuerta es mínima: IG = 0A
La baja IG es la principal responsable de la baja potencia consumida por los Mosfet.
El nombre de MOSFET proviene de los elementos que lo componen:
Película metálica (Metal - M) Oxido de silicio (Óxido - O) Región semiconductora (Semiconductor - S) Efecto de campo (FET)
Un MOSFET tiene la siguiente constitución cristalina:
Un transistor Mosfet entra la región de Saturación , cuando la tensión entre el Drenaje y el Fuente ( VDS ) supera un valor fijo denominado tensión de saturación VDSSAT. Este valor viene indicado en las hojas características proporcionadas por el fabricante.
En Saturación , el transistor mantiene constante su corriente de Drenaje ( ID ), independientemente del valor de VDS.
La transición entre la zona óhmica y la de saturación ocurre cuando:
Cabe señalar que un Mosfet de ensanchamiento puede operar sin inconvenientes tanto en la zona óhmica (como una resistencia variable por VGS), como una fuente de corriente constante en la zona de saturación.
En la gráfica podemos ver las regiones de operación del Mosfet canal N indicadas sobre su curva de transferencia (donde VT es la tensión de umbral o mínima para la conducción):
Conducción
MOSFET como interruptor
Curva correspondiente a un Mosfet de estrechamiento , y su recta de transferencia. Nótese la influencia y signo de VGS. El punto Q de trabajo como amplificador es analogo al BJT.
Curva de transferencia propia de un Mosfet de ensanchamiento. Nótese la influencia de VGS.
IDS
El proceso de obtener las corrientes IDS correspondientes a dos de las regiones de operaciòn del transistor (óhmica y saturación), reviste de cierta complejidad.
Para su cálculo se deberá recurrir a las fórmulas que se muestran a continuación:
a) Región ohmica (con VDS <<1):
b) Región de saturación:
Donde kn es el parámetro de transcunductancia, cuyos valores típicos están entre:
Por otra parte, tanto W como L refieren a las dimensiones del canal del Mosfet.
Mosfet al corte:
Mosfet en saturación:
Controlador de motor de CC con Mosfet complementario y fuente partida
Coeficiente de temperatura positivo Limitaciones del MOSFET
Paralelo de mosfet como solución para el manejo de para ID elevadas
Se trata de una FUSION entre los BJT y MOSFET que ya hemos analizado. El resultado es un dispositivo semiconductor de potencia de 3 terminales que se utiliza fundamentalmente como interruptor electrónico de conmutación rápida, dado que se posee muy buenas velocidades de conmutación.
Tienen como principal característica que permiten el control de grandes valores de corriente, a partir de tensiones bajas en la compuerta “G”.
También pueden ser del tipo NPN o PNP. La curva característica de un IGBT es muy similar a la de un transistor BJT.
La estructura cristalina de los IGBT es similar a la de los Mosfet. Justamente la mínima diferenciación con los Mosfet hace que los IGBT tengan la capacidad de manejo de la corriente propia de los BJT (pero con altos valores de corriente), y la facilidad de control de los Mosfet.
Los IGBT son tolerantes a sobrecargas y picos de tensión.
Prueba de un IGBT
Para realizar la prueba del estado del IGBT mostrado en la imagen, es necesario conocer el circuito interno. Es posible utilizar para tal fin un multímetro digital o analógico, en la posición de prueba de diodos
En este caso en particular, considerando en esquema correspondiente al componente en etapa de prueba, se desarrolla el procedimiento que se explica a continuación:
Paso 1: Cortocircuitamos G1 con E1 y G2 con E2.
IGBT – CM50DY-12H
Paso2: Con el multímetro en modo diodo, comprobar entre C1 y C2E1 para verificar la unión semiconductora. Con la punta de prueba positiva (+) en C1 y la negativa (-) en C2E1, el multímetro debería marcar cómo circuito abierto. Si cambiamos las puntas de posición deberemos ver un valor diferente a circuito abierto.
Paso3: Comprobar la unión entre C2E1 y E2. Con la punta positiva (+) en C2E1 y la negativa (+) en E2, se verá un circuito abierto. Si le damos la vuelta a las puntas, veremos la continuidad el diodo de protección de nuevo. Hasta aquí todo fácil tan solo se trata de testear si el diodo de protección está dañado o con fugas.
Paso 4: Conectar una batería de 6v con el terminal (+) a la puerta G1 y el terminal (-) a E1. Usando el multímetro en modo diodo se podría apreciar la respuesta del diodo en ambos sentidos. Para tal fin posicionar las puntas de prueba entre C1 y C2E1 y viceversa.
Paso 5: Ahora conectar la batería (+) en G2 y (-) en E2. De igual manera que antes, deberías ver en ambos sentidos la caída de voltaje de un diodo entre C2E y E2.
Si todos los pasos están bien, significa que el IGBT está en buenas condiciones.
Propiedades relativas de los componentes electrónicos de conmutación
Propiedades relativas de los componentes electrónicos de conmutación:
Comportamiento de los transistores MOSFET e IGBT respecto de la temperatura
EJEMPLO 1
El uso de Mosfet como dispositivos de conmutación es habitual. Pero debemos recordar que los Mosfet tienen una VT alta, a veces cercana o superior a los 5V ( digital), por tal motivo es habitual el uso de etapas previas con BJT (“drivers del mosfet”), sobre todo cuando se trabaja con controladores programables del tipo PLC o Arduino, cuya salida de control llega a los 5V y unos pocos mA.
En el siguiente ejemplo vemos que ocurre cuando VIN varía entre 5V (rojo) y 0V (celeste).
En el circuito mostrado, el mosfet de canal-N actúa como dispositivo conmutador de alta potencia que se activa con +VG, en tanto que el transistor BJT es el conmutador de baja potencia, y requiere +VBE > 0,7V y una pequeña IBsat para saturarse. El BJT opera como conmutador entre corte y saturación.
Por su parte el mosfet también funciona como llave de dos posiciones, que requiere de VG = 12V para conducir.
Debido a que el motor necesita una tensión diferente a las utilizadas por el circuito driver, es que aparecen varias fuentes separadas.
Cuando el BJT está saturado (+VBE), aparece una ICMAX que se limita mediante R2; en este caso VG = 0V y el mosfet no conduce. Con el BJT al corte, VBE = 0V, tenemos que VG = +VCC y conduce, encendiendo el motor.
5V
0 V
VIN
12V
48 V
EJEMPLO 2
Se aplica en este caso una mejora al control de potencia anterior al agregar dos transistores BJT, que por su disposición no necesitan conducir IC, y aun así permiten activar y desactivar el Mosfet al conectarse cada uno respectivamente entre VCC y 0 V.
Con un nivel alto a la salida del transistor A (está al corte porque se verifica un nivel bajo en su base), B entra en saturación, conectando la compuerta del Mosfet D a VCC. Entonces VG de D está a VCC, habilitando a D y por lo tanto también al motor.
Cuando el nivel de salida de A es bajo, B no conduce y C conduce, conectando la compuerta del Mosfet a 0V. De este modo D deja de conducir.
En aquellos casos donde la salida de control proviene de un Arduino Uno, la etapa ubicada dentro del recuadro punteado podría ser eliminada.
EJEMPLO 3
Veamos el funcionamiento de un Mosfet canal N como inversor. Cuando VIN está en nivel bajo, VOUT está a +VDD (nivel alto). En tanto que si VIN está en nivel alto, VOUT estará a 0V (bajo).
Este comportamiento del Mosfet como inversor se basa en sus características de conmutación, pasando de la región óhmica a la de corte.
EJERCICIOS
EJERCICIO 1
Explique el circuito de la derecha:
EJERCICIO 2
Para el circuito de la figura y la información brindada, responda:
a) De qué tipo de circuito se trata? b) Cuál es el concepto de uso del BJT (BC-548)?
