º Por Osvaldo LW1DSEº

Habiendo visto que es por dentro un MOSFET, y analizado los detalles mas relevantes de tal dispositivo, ahora llega el turno de ver como se comporta cuando es sometido a condiciones normales de trabajo en una fuente conmutada, es decir, precisamente, conmutando cargas inductivas. Hicimos incapie en las caracter¡sticas capacitivas de la compuerta del MOSFET, y de como a traves del conocido efecto Miller (que fuera publicado por su autor en 1920 cuando las valvulas termoionicas dominaban el campo de la electronica de aquel momento), el elemento trata de reaccionar en contra de los cambios en su estado de funcionamiento. Y es natural: para forzar a algo o alguien a hacer algo hay que invertir un trabajo o un esfuerzo. En nuestro caso, hay que proveerle a la compuerta del MOSFET de un flujo de carga y descarga de las capacidades intervinientes, y eso es corriente electrica. Y la corriente electrica son cargas en movimiento, es decir, electrones.

En muchos manuales de semiconductores MOS de potencia, se hace referencia a la carga de compuerta QG mas que a las capacidades, porque es un valor mas realista que nos dice cuanto esfuerzo debemos invertir para promover un cambio de estado del semiconductor. Y porque cargas movidas en la unidad de tiempo da directamente corriente:

I = Q / t [Coulomb/sec] = [Amper]

Entonces, teniendo como dato la carga de compuerta que hay que movilizar y la cantidad de veces por segundo que tenemos que realizar ese movimiento, obtenemos directamente la corriente que vamos a tener en juego en el circuito:

I = Q * f

Podemos entonces, analizar que pasa cuando un MOSFET tiene que conmutar una carga a alta velocidad. Eso se hace habitualmente analizando un grafico que nos muestra la evolucion de la tension y corriente en el Drain versus la cantidad de carga entregada o removida de la compuerta. Esto se evaluara  a lo largo de 4 periodos de tiempo llamados t0 a t4, y hay uno para la apertura y otro para el cierre del MOSFET.

* Intervalo t0-t1: Se interpreta como un delay o retardo de tiempo desde que se empieza a aplicar carga a la compuerta, y hasta que esta adquiere su tension de umbral, que es cuando el MOSFET empieza a conducir.

* Intervalo t1-t2: La compuerta llego a la tension necesaria para que el FET empiece a conducir. La corriente de drain comienza a circular, pero la tension no puede descender. Se desperdicia potencia en el dispositivo por existencia simult nea de tension y corriente en sus terminales.

* Intervalo t2-t3: Durante este tiempo empieza a caer la tension en bornes del dispositivo. La variaci¢n de tension se acopla a la compuerta por el efecto Miller, lo cual se manifiesta por el valle en la tension de compuerta, a pesar que se sigue inyectado corriente de compuerta en una cantidad Qgd.

* Intervalo t3-t4: Ac‚ la corriente alcanza su m ximo mientras que la tension queda limitada al valor de Id * Rdson del MOSFET. Al ya no haber variacion de la tension de drain, el efecto Miller desaparece de la escena, y la tension compuerta-fuente alcanza su maximo de unos 10 a 12V. Mas de eso no tiene ninguna ventaja y puede producir efectos graves en el MOSFET.

* Intervalo t0-t1: Se empiezan a remover las cargas de la compuerta, entonces la Rdson del MOSFET empieza a aumentar, pero las condiciones de tension y corriente de drenaje permanecen inalteradas. Es un retardo a la desconexion.

* Intervalo t1-t2: Se alcanza la cantidad de cargas en la compuerta suficientemente bajas como para que la resistencia del canal se eleve. El efecto Miller nuevamente est  presente porque desde la tension de drenaje que empieza a subir se acopla dicha variacion sobre la compuerta, provocando que, a pesar de seguir sacando cargas, la tension de compuerta no pueda descender y entonces permanece constante. Nuevamente se tiene presente en el seno del cristal tension drenaje-fuente a plena corriente de carga, ergo se consume potencia activa que se transforma en calor.

* Intervalo t2-t3:La tension de drenaje ya es la m xima del dispositivo, alcanza el valor de Ei, y reci‚n ahora que cesa la variacion de tension de drenaje, se suspende el efecto Miller, entonces puede empezar a desaparecer lentamente la corriente de drenaje. Esto sucede hasta que la tension de compuerta alcanza el umbral de la no-conduccion, momento en el cual el MOSFET ya se encuentra apagado.

* Intervalo t3-t4: Con el dispositivo apagado, la tension de compuerta continuara  descendiendo hasta que llega a 0V. {2}

En estos parrafos el lector hallara  la justificacion del porque reiteradadas veces dije que es importante una alta velocidad en la conmutacion.
Tanto durante el encendido como en el apagado, se transita una zona donde el dispositivo pasa a operar en clase A, con tension drenaje-fuente importante y con corriente de drenaje. Las velocidades en la caida o subida de la corriente no dependen del MOSFET ni de su driver, pues esta  fijada por la tension de alimentacion Ei, la inductancia y la frecuencia (o mejor dicho, la cantidad de tiempo que est  conectado el circuito). Pero si, un buen driver puede hacer que el tiempo que duran esos periodos de tiempo sean cortos o largos. Empero, achicar los tiempos demanda una velocidad mas alta en la entrega y remocion de cargas de la compuerta, y por lo tanto, una mayor corriente de pico del driver. A su vez, esto exige semiconductores en el driver mas poderosos, y por tanto mas costosos. De la otra manera; con conmutacion lenta; se necesita un MOSFET mas grande, y un discipador de mayor tamaño, lo que encarece el costo, el volumen y el peso de la fuente. En definitiva, el crierio que prevalece es la resolucion de una ecuacion mas vale economico-financiera que una del tipo tecnologica propiamente dicha. El problema es que, por lo general, detras de todo este gran dilema esta  la confiabilidad de la fuente, y en definitiva, la reputacion de la empresa manufacturera.

{2} Esta parte del capitulo ha sido condensada y traducida desde un articulo publicado en Internet por Bill Andreycak "Practical Considerations in High Performance MOSFET, IGBT, & MCT gate driver Circuits" para la firma Unitrode Corporation.

Fin capitulo #19

Por Osvaldo LW1DSE

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