Electrónica de Potencia/MOSFET/Parámetros Característicos de funcionamiento

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PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS MOSFETS

Las características fundamentales de los MOSFETS son las siguientes:

  1. Máxima tensión drenador-fuente
  2. Máxima corriente de drenador
  3. Resistencia en conducción
  4. Tensiones umbral y máximas de puerta
  5. Velocidad de conmutación


1. 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). Ayuda a clasificar los MOSFETS en:

  • 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

La máxima tensión drenador-fuente de representa como VDSS o como V(BR)DSS


2. Máxima corriente de drenador

Gráfica comportamiento ID

El fabricante suministra dos valores (al menos):

  • Corriente continua máxima ID
  • Corriente máxima pulsada IDM

La corriente continua máxima ID depende de la temperatura de la cápsula Por ejemplo: a 100ºC, ID=23·0,7=16,1A





3. Resistencia de conducción

Comportamiento de resistencia conducción

Es uno de los parámetro más 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 tensión de puerta. Este decrecimiento tiene un límite.

Comparando distintos dispositivos de valores de ID semejantes, RDS(on) crece con el valor de VDSS.

En los últimos tiempos se han mejorado sustancialmente los valores de RDS(on) en dispositivos de VDSS relativamente alta (600-1000 V).


4. Tensiones umbral y máximas de puerta

Dependencia de la tensión umbral con la temperatura

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 VGS(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.

La tensión umbral cambia con la temperatura.

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







5. Velocidad 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. Se pueden distinguir esencialmente tres:

  • Capacidad de lineal, CGS
  • Capacidad de transición, CDS
  • Capacidad Miller, no lineal, CDG (muy importante)
Capacitancias típicas

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

  • Ciss = Cgs + Cgd con Vds=0 (aproximadamente capacidad de entrada)
  • Crss = Cdg (capacidad Miller)
  • Coss = Cds + Cdg (aproximadamente capacidad de salida)

La carga y la descarga de estas capacidades parásitas generan pérdidas que condicionan las máximas frecuencias de conmutación de los MOSFET de potencia.

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 el proceso de conmutación.


Hojas de características

A continuación aparece un ejemplo de hoja de características para una serie de MOSFETS. Es muy importante ver la hoja de características del MOSFET a emplear en una instalación, pues de este modo se elegirá el dispositivo adecuado para el funcionamiento optimo. En caso contrario, el MOSFET podría quemarse.

HOJA DE CARACTERÍSTICAS DE MOSFETS (2N4391, 2N4392 Y 2N4393)
HOJA DE CARACTERÍSTICAS DE MOSFETS (2N4391, 2N4392 Y 2N4393)

Características estáticas:

  • Gate-Source Breakdown Voltage, VGSS: Tensión de ruptura puerta-fuente.

Corresponde a la tensión de ruptura de la unión que forman el sustrato (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.

  • Gate-Source Cutoff Voltage, VGS: Tensión tope puerta-fuente.

La tensión máxima soportable entre puerta y fuente, suele alcanzar un valor típico de 20V (positivos o negativos)

  • Saturation Drain Current, Idss: Corriente de saturación dedrenaje.

Máximo valor que puede alcanzar la intensidad de corriente por el drenador.

  • Gate Reserve Current, IGSS: Corriente inversa en la puerta.

Valor de la intensidad de corriente negativa en la puerta del dispositivo.

  • Gate Operating Current, IG: Corriente de operación en la puerta.

Corriente mínima que se debe aplicar en la puerta para que se logre el funcionamiento del MOSFET.

  • Drain Cutoff Current, ID: Corriente tope de drenaje.

La corriente máxima que puede soportar el drenador sin que se estropee.

  • Drain-Source On-Voltage, VDS: Tensión de encendido o umbral drenaje-fuente.

Tensión mínima que se debe alcanzar entre drenador y fuente para lograr al funcionamiento del MOSFET.

  • Drain-Source On-Resistance, RDS: Resistencia de encendido drenaje-fuente.

Es uno de los parámetros más importante en un MOSFET. Cuanto menor sea, mejor es el dispositivo. Para un dispositivo particular, crece con la temperatura y decrece con la tensión de puerta, teniendo este decrecimiento tiene un límite.

  • Gate-Source Forward Voltage, VGS: Tensión directa puerta-fuente.

Caída de tensión correspondiente en la puerta y el drenador.

Características dinámicas:

Con respecto a las características dinámicas, cabe destacar la velocidad de conmutación, ya explicada anteriormente. En la segunda imagen de la hoja de características aparecen algunos parámetros de los parámetros propios aportados por los fabricantes de MOSFETS.

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