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Primer Cuatrimestre ELECTRÓNICA DE POTENCIA Electrónica Industrial 5º Curso. Ingeniería Industrial Intensificación Electrotecnia Electrónica Industrial Primer Cuatrimestre Electrónica de Potencia ELECTRÓNICA DE POTENCIA TEMARIO Parte 1: Introducción Parte 2: Dispositivos de Potencia Parte 3: Conversiones Energéticas Parte 4: Aplicaciones Parte 5: Normativa 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 Lección 6 EL MOSFET DE POTENCIA Electrónica Industrial 5º Curso. Ingeniería Industrial Intensificación Electrotécnia 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 D Canal N EL MOSFET DE POTENCIA G Conducción debida a electrones S D Canal P G Conducción debida a huecos S Los más usados son los MOSFET de canal N La conducción es debida a los electrones y por tanto, son más rápidos Curvas características del MOSFET • Curvas de salida Referencias normalizadas EL MOSFET DE POTENCIA D G + VGS - + VDS S - ID ID [mA] VGS = 4,5V 4 VGS = 4V 2 VGS = 3,5V VGS = 3V VGS = 2,5V 0 2 • Curvas de entrada: No tienen interés (puerta aislada del canal) 4 VDS [V] 6 VGS < VTH = 2V Curvas características del MOSFET ID [mA] ID D EL MOSFET DE POTENCIA G S + - VGS = 4,5V 4 2,5KW + VDS - VGS = 4V 2 VGS = 3,5V 10V VGS = 3V VGS = 2,5V VGS 0 4 8 VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V < 4,5V Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente Comportamiento como circuito abierto 12 VDS [V] VGS < VTH = 2V Precauciones en el uso de transistores MOSFET EL MOSFET DE POTENCIA S N+ P- G D N+ D G S + Substrato • 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 D 61 EL MOSFET DE POTENCIA TO 220 TO 247 TO 3 Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET • Tensión de ruptura • Resistencia en conducción • Corriente máxima EL MOSFET DE POTENCIA Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales Baja tensión Media tensión Alta tensión 15 V 100 V 500 V 30 V 150 V 600 V 45 V 200 V 800 V 55 V 400 V 1000 V 60 V 80 V Resistencia en conducción (RDSon) Es el parámetro más importante en un MOSFET El MOSFET en conducción se modela utilizando la RDSon D RDSon EL MOSFET DE POTENCIA G S 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 EL MOSFET DE POTENCIA Ejemplos de MOSFETS comerciales VDS ID RDSon IRF 3205 55 V 110 A 8 mW IRF 1405 55 V 169 A 5.3 mW IRF 520 100 V 10 A 180 mW IRF 3710 100 V 75 A 25 mW IRF 540 500 V 8A 850 mW IRFP 460 500 V 20 A 270 mW IRFPG 30 1000 V 3A 5W IRFPG 50 1000 V 6A 2W Características de puerta 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) EL MOSFET DE POTENCIA Valores típicos: 3 – 5 V Hay una tensión máxima de puerta. Por encima de ese valor, se rompe Valores típicos: ± 15 V, ± 20 V El circuito equivalente entre puerta y fuente se modela como un condensador (Ciss) D G 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 EL MOSFET DE POTENCIA 25 ºC 175 ºC Características de puerta Para hacer que el MOSFET se abra y se cierre, debemos cargar y descargar el condensador de puerta D G EL MOSFET DE POTENCIA S Energía utilizada en cargarlo: 1 2 Ciss ·VGS 2 Esa energía se pierde, por tanto, el hecho de manejar el MOSFET implica pérdidas PG 1 1 2 Ciss ·VGS · 2 T Características fundamentales Resistencia Térmica EL MOSFET DE POTENCIA j RTHjc RTHca a c P (W) Ta Ta : Temperatura ambiente Los valores dependen fundamentalmente del tipo de encapsulado Características dinámicas La rapidez de las conmutaciones depende en gran medida del modo en que se maneje la puerta D El diodo parásito es lento. G EL MOSFET DE POTENCIA S 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 D Capacidad de transferencia Crss G Valores reales Coss S Capacidad de salida Características dinámicas Los condensadores influyen fuertemente en las conmutaciones D VDS Crss G Coss V DS 0V S VGS EL MOSFET DE POTENCIA VDSmax VGS 1 2 Coss ·VGS 2 Se necesita una cierta cantidad de energía para cargar los condensadores Efecto Miller Al cargar el condensador de puerta se produce un cambio en la impedancia del condensador Crss. VGS Forma de onda que genera este cambio de impedancia QGD Características dinámicas Definición de tiempos de conmutación VGS VDS 90% EL MOSFET DE POTENCIA 10% td(on) tF td(off) tR : tiempo de subida tF : tiempo de bajada td(on) : Retraso de encendido td(off) : Retraso de apagado tR Características dinámicas Las conmutaciones no son ideales Durante un cierto tiempo conviven tensión y corriente VGS VGS(th) EL MOSFET DE POTENCIA VDS ID PMosfet PÉRDIDAS Características dinámicas Pérdidas de conducción ID D RDSon G S T EL MOSFET DE POTENCIA Pconducción = RDSon· Ief2 Pérdidas de conmutación PMosfet Cálculo del valor medio de la forma de onda
