º Por Osvaldo LW1DSEº

Hasta aca  hemos explicado diversas topologias, que se diferencian entre si, por el rango de potencias en que son utilizadas, aisladas o no, fuentes en paralelo, etc. Pero todas ellas tienen algo en comun: un elemento de potencia, que hoy por hoy, en la mayoria de los casos es un MOSFET. Vamos pues a dedicarle unas lineas a este tan noble dispositivo. El objetivo de este estudio es analizar como funciona por dentro (a grandes razgos), y un puñado de circuitos tipicos para exitar correctamene tales dispositivos. Pero, vamos tambien a analizar algunas de sus desventajas, algunas de las cuales actualmente se las ha dado vuelta, y ya se las utilizan a nuestro favor en los converidores cuasirresonantes.

En la figura 1 puede verse la estructura interna simplificada de un MOSFET. B sicamente se trata de un sustrato de canal P sobre el cual se depositan dos difusiones muy contaminadas tipo N, sobre las cuales posteriormente se realizan las conexiones de drenaje y fuente, y que tiene por objeto llevar los electrodos al interior del cristal y poder realizar un buen contacto.
Entre ellos se realiza una deposicion de oxido de silicio (SiO2) (el cual es
un muy buen aislante) de espesor uniforme del orden de 0.1 æm (un diezmillonesimo de metro) y sobre ella una metalizacion de aluminio que forma capacitivamente la compuerta del MOSFET. Sobre la cara posterior se realiza otra metalizacion con el objeto de efectuar la conexion del sustrato, que luego se conecta al source.

Al aplicar una tension positiva a la compuerta, se forma por oposicion una nube de cargas negativas (electrones) que se ven atraidas a dicha zona por la carga positiva en la compuerta. Cuando la carga de compuerta alcanza un nivel importante, se forma un canal tipo N en la superficie interna debajo de la metalizacion de la compuerta. Una vez que se formo la nube de electrones, la tension de alimentacion se distribuye a lo largo del canal porque el mismo se comporta como una resistencia. La diferencia de potencial es menor en la parte superior debido a la polarizaci¢n positiva de la compuerta. Si la tension VD es lo suficientemente grande, debido a esa diferencia de potencial con la compuerta, impide la formacion del canal, con lo cual este se estrangula. En dicha zona vaciada de cargas, se produce un intenso campo electrico que impulsa a los electrones que entrando desde el source llegan alndrain, cerrando el circuito. Luego de esto, cualquier aumento en la tension de drenaje, se localiza alli en la zona de estrangulacion del canal. No produce entonces, aumento de la corriente, porque dijimos que es una zona vacia de portadores (electrones). Variando la polarizacion de la compuerta, se puede graduar la cantidad de electrones intervinientes en el proceso, y por lo tanto la resistencia del canal. {1}

A velocidades de conmutacion, el driver debe cargar y descargar rapidamente dicha capacidad de compuerta, y ademas la capacidad de efecto "Miller": la capacidad de transferencia (Cgd) del circuito se ve como una capacidad equivalente a la de salida multiplicada por la ganancia del dispositivo.

La capacidad Cgs normalmente en un MOSFET es de un valor bastante grande (entre 100 pF y 10 nF variando segun las caracteristicas de dispositivo considerado), y la de salida Cds es relativamente chica, y pueden ser consideradas parte del circuito de entrada y de salida respectivamente. Pero la que mas complica la situacion es la capacidad Cdg. Por varias razones:

1) Considerando el efecto Miller, al igual que en un triodo valvular, en un MOSFET tambi‚n existe. Seg£n se sabe, por el efecto Miller, dicha capacidad se ve reflejada sobre el circuito de entrada como si fuera A+1 veces mas grande que el valor que figura en los manuales, o que podamos medir con un capacimetro, donde A es la amplificacion de tension de pequeña señal del dispositivo en cuestion. Esto quiere decir que nuestro driver debe ser capaz de cargar y descargar tan rapido como le sea posible una capacidad de

Como vemos, resulta mas de tres veces la capacidad medible con el capacimetro. Y es casi 45 veces la "inocente" capacidad natural Cdg.

2) Forma un circuito de realimantacion negativa que tiende a mantener al MOSFET en la condicion en la que estaba antes de forzarlo a cambiar de estado:
Si el transistor esta  bloqueado, su tension drenaje fuente es la de la VDS aplicada. Si ahora lo hacemos entrar a conducir, como esa capacidad esta cargada a VDS, y la tension de drain tiende a bajar al encenderse el dispositivo, acopla por capacidad esa variacion de tension en sentido negativo a la compuerta intentando volver al estado de bloqueo. Si en la situacion examinada estaba en plena conduccion, y con dicha capacidad poco cargada, al intentar llevarlo al bloqueo, acopla parte de la variacion en sentido positivo de la tension drenaje-fuente hacia la compuerta intentando mantenerlo cerrado. Es decir, tiende a oponerse a la causa que provoca una variacion del estado actual del MOSFET, y que justo es lo contrario a lo que necesitamos para una rapida conmutacion y de bajas perdidas. Desde otro punto de vista, y como todo circuito de realimantaci¢n negativa, tiene a mantener al dispositivo en la region lineal, es decir, operando en clase A.

3) Si el driver por un accidente es desconectado y la compuerta queda flotante y sin una polarizacion determinada, dicha capacidad puede acoplar una pequeña variacion de la tension de drain, llevandolo a una condicion oscilatoria que acaba subitamte con la vida util del semiconductor. Si el MOSFET esta  abierto, una pequeña alteracion en sentido positivo de la tension de alimentacion del circuito se acopla a tarves de Cdg, con la aparicion de una variacion en sentido positivo de la tension compuerta-fuente, incitandolo a conducir. Esa conduccion fuerza un descenso en la tension de drain, nuevamente acoplada al gate por Cdg. La carga puede no ser capaz de soportar esa oscilacion, transformandose en calor dentro del dispositivo, provocando un embalamiento termico. Pero aun hay mas. La capa de oxido de silicio es un muy buen aislante pero no es perfecto, por lo cual existen pequeñas fugas de corriente continua desde el drenaje hacia la compuerta, y dicha tension tiene la misma polaridad que la que necesita la compuerta para hacer entrar el conduccion al MOSFET. Por lo tanto, este se ve forzado a mantenerse abierto y sin control. En esas condiciones, representa un verdadero peligro. Si esta  en serie con la carga, como en un buck, implica que la salida adquiere un valor cercano al de la entrada, lo cual puede desencadenar la destruccion de esta. Y si en cambio se halla mediante un circuito de baja resistencia a CC como ser el caso de un forward, autom ticamente se destruye por exceso de corriente al saturarse el nucleo del transforamdor con la corriente continua. Por esta razon siempre debe colocarse una resistencia de unos 100Kê entre compuerta y fuente. (CUIDADO !!!: no siempre el source se halla a masa del circuito, y no debe conectarse a masa sino al source).

4) Si la conexion desde el gate del MOSFET hasta el driver es larga, o esta  viculada a ‚l mediante trasformadores, puede existir una inductancia elevada en el nodo, la cual entraria en oscilacion con las capacidades del MOSFET mismo y las parasitas del conexionado, exitado por la misma onda rectangular, que como sabemos, es rica en armonicos. Si dicha oscilacion supera en algun transitorio, la tension de ruptura de la capa de oxido de silicio (unos 20 a 30V), la misma se perfora, destruyendose el MOSFET. Por ese motivo, suele conectarse la compuerta del MOSFET al driver por medio de un resistor de bajo valor, de unas decenas de ohms, para amortiguar los efectos de tales posibles oscilaciones e impedir su crecimiento por encima del valor de perforacion.
Hace algunos años se recomendaba incluir un zener de unos 15 a 18V en paralelo con la conexion compuerta-fuente, pero actualmente se desaconseja porque el zener suele ser lento para la frecuencia de las oscilaciones, y agrega capacidades extra al circuito.

Quiere decir todo esto, que la confiabilidad de la fuente no depende tan directamente de que calidad o tipo e MOSFET utilizamos, sino mas bien de como esta  gobernado el mismo. Es similar a una carrera de autos. Un coche de caracteristicas sobresalientes en manos de un piloto de poca categoria o inexperto o imprudente, puede terminar en un desastre para el y los que lo rodean.

{1} Esta parrafo fue condensado de: Angel D. Tremosa; Electronica del Estado Solido Editorial Marymar; paginas 265 a 270.

Final del capitulo # 18

Por Osvaldo LW1DSE

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