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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R."
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Carrera de Ingeniería Electrónica y Control
Carrera de Ingeniería Eléctrica
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
PRÁCTICA N°5
1. TEMA
TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO MOSFET
2. OBJETIVOS
2.1. Diseñar el circuito de control para un MOSFET de potencia.
2.2. Conocer las características de conmutación de los MOSFET’s.
3. INFORMACIÓN
El MOSFET de potencia (Metal Oxide Semiconductor, Field Effect Transistors) difiere del
transistor bipolar de juntura en principios de operación, especificaciones y funcionamiento.
Las características de operación de los MOSFETs son superiores a las de los transistores
bipolares de juntura: tiempos de conmutación más rápidos, circuito de control simple, no
segunda avalancha, posibilidad de colocarse en paralelo, ganancia estable y amplio rango
de respuesta de frecuencia y temperatura.
El MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje (si bien lo más apropiado
es señalar que es un elemento controlado por carga) a través del terminal gate, el que
está eléctricamente aislado del cuerpo de silicio por una delgada capa de dióxido de silicio
(SiO2). Por el aislamiento de la compuerta la corriente que ingresa en el gate es pequeña
lo que hace que el circuito de control no deba entregar valores considerables de corriente,
ventaja importante con respecto al TBJ. Al ser un semiconductor de portadores
mayoritarios, el MOSFET opera a mayor velocidad que un transistor bipolar porque no
tiene un mecanismo de mantenimiento de carga [1].
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Figura 1. Símbolo y estructura interna de un MOSFET.
Las regiones de operación del transistor de efecto de campo son la región de corte, región
activa y región óhmica (Figura 2).
Región de corte (Cutoff): el voltaje gate-source es menor que el voltaje de umbral V GS(th),
el cual es típicamente unos cuantos voltios en la mayoría de MOSFETs de potencia. El
dispositivo puede mantenerse abierto aunque se aplique una fuente de potencia entre sus
terminales siempre y cuando este voltaje sea menor que el voltaje de sustentación BV SS.
Región activa: la corriente de Drenaje ID es independiente del voltaje drain-source VDS y
depende únicamente del voltaje gate-source VGS, y está dada por ID = gm[VGS-VGS(th)].
Región óhmica: cuando el valor de voltaje gate-source es considerablemente mayor al
voltaje de umbral VGS >> VGS(th) y VDS es igual o menor que VGS - VGS(th), el elemento entra
en la región óhmica. En esta región no es válida la dependencia de la corriente ID del
voltaje VGS, sino más bien ID está limitada por el circuito dentro del cual se encuentre el
MOSFET.
Figura 2. Regiones de trabajo del MOSFET.
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El TBJ y el MOSFET tienen características que se complementan entre sí, por ejemplo las
pérdidas durante la conducción son menores en el TBJ especialmente en dispositivos con
alto voltaje de bloqueo, pero tiene tiempos grandes de conmutación sobre todo durante el
apagado. Por el contrario el MOSFET puede encenderse o apagarse más rápido, pero
sus pérdidas durante la conducción son grandes especialmente para dispositivos de alto
voltaje de bloqueo, por lo que una combinación de las características positiva de cada
elemento formarán un transistor de buen desempeño, con el objetivo de lograrlo aparece
el elemento conocido como IGBT.
Al IGBT se lo puede considerar como un MOSFET el cual ha sido modificado en su
estructura interna (Figura 3), agregando una capa tipo P bajo el DRAIN, esta modificación
tiene como objetivo obtener características entre Drain y Source similares a las de
Colector-Emisor del transistor TBJ pero manteniendo las características del MOSFET en
el Gate. Es así que el IGBT se caracteriza por tener reducidos tiempos de conmutación,
bajas pérdidas durante la conducción y un control por voltaje [2].
Figura 3. Símbolo y estructura interna del IGBT.
4. TRABAJO PREPARATORIO
4.1. Consultar las condiciones para el disparo de MOSFETs en aplicaciones de
electrónica potencia, incluir el dimensionamiento de la resistencia en el gate.
4.2. Consultar acerca de los Gate Drivers para disparo de MOSFETs.
4.3. Diseñar y simular un control PWM en base a un circuito integrado LM555. El
control debe permitir cambiar la frecuencia a valores aproximados de 1[KHz],
10[KHz] y 30[Khz], además debe poder variar la relación de trabajo entre 0,1 < δ
< 0,9.
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4.4. Diseñar y simular el circuito de la Figura 4, si la fuente de potencia a usarse es de
40 V y la resistencia de carga es un foco de 100W. Tomar en cuenta que el Vth de
estos elementos es mayor de 5 V, por lo que el circuito de control debe ser
alimentado con 12 o 15 VDC.
4.5. Considerar para el diseño el dimensionamiento de un diodo de conmutación
rápida (Fast Recovery) para trabajar con una carga inductiva.
4.6. Traer armados todos los circuitos solicitados.
Figura 4. Circuito a Implementarse con MOSFET
5. EQUIPO Y MATERIALES
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Fuente de poder DC.
Osciloscopio.
Transformador de aislamiento relación 1:1.
Capacitor de 1000 µF.
Puente de diodos.
Autotransformador.
Puntas de prueba.
Cables.
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Analizador de armónicos.
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6. PROCEDIMIENTO
6.1. Para el circuito diseñado en el literal 4.4 del trabajo preparatorio, observar formas
de onda y comprobar que el elemento esté trabajando en las regiones de corte y
óhmica. Variar la resistencia en la base del MOSFET y comprobar formas de onda
de voltaje, corriente y potencia.
6.2. A una relación de trabajo aproximada de 0.5 con el módulo matemático del
osciloscopio, multiplicar las ondas de voltaje y corriente para observar la curva de
potencia disipada en el dispositivo, para 2 frecuencias y para dos valores de
resistencia de gate definidas por el instructor.
6.3. Para una frecuencia de 5KHz y con el valor de resistencia diseñada en el literal
4.4 tomar formas de onda de voltaje y corriente en el dispositivo, determinar los
tiempos de encendido y apagado del MOSFET para calcular las pérdidas
estáticas y dinámicas.
6.4. Usando el analizador de armónicos medir la potencia de disipación del MOSFET
para el literal anterior.
6.5. Repetir el literal 6.3 para carga R-L añadiendo el diodo de conmutación (FAST
RECOVERY).
7. INFORME
7.1. Presentar las respectivas formas de onda obtenidas en el osciloscopio para los
diferentes literales del procedimiento.
7.2. Comentar los resultados obtenidos del literal 6.2.
7.3. Calcular analíticamente la potencia de disipación del MOSFET para las
condiciones del literal 6.3, utilice los tiempos obtenidos experimentalmente.
Comparar estos resultados con los del literal 6.4.
7.4. Conclusiones y recomendaciones.
7.5. Bibliografía.
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8. REFERENCIAS
[1] Batarseh, I., Power Electronics Handbook, The Power MOSFET, 2011.
[2] P. S. Abedinpour and P. K. Shenai, Power Electronics Handbook, Insulated Gate
Bipolar Transistor, 2011.
[3] C. J. Savant and G. L. Carpenter, Diseño electrónico circuitos y sistemas.
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