1. Introducción

MOSFETs son de cuatro tipos diferentes. Pueden ser de mejora o el modo de agotamiento, y pueden ser de canal n o p-canal. Sólo estamos interesados en los MOSFET de canal n en modo de enriquecimiento, y éstos serán los únicos hablado de ahora en adelante. También hay MOSFET de nivel lógico y MOSFETs normales. Podemos utilizar cualquier tipo.

El terminal fuente es normalmente el negativo uno, y el drenaje es el positivo (los nombres se refieren a la fuente y el drenaje de los electrones). El diagrama anterior muestra un diodo conectado a través del MOSFET. Este diodo es llamado el "diodo intrínseco", ya que está integrado en la estructura de silicio del MOSFET. Es una consecuencia de la forma MOSFET de potencia se crean en las capas de silicio, y puede ser muy útil. En la mayoría de las arquitecturas MOSFET, que está clasificado en la misma corriente que la propia MOSFET.

2. La elección de un MOSFET.

Para examinar los parámetros de MOSFETs, es útil tener una hoja de datos de la muestra a mano. Hacer clic esta página para abrir una hoja de datos para el rectificador IRF3205 Internacional, el cual nos referiremos a. En primer lugar hay que pasar por algunos de los parámetros principales que se van a tratar.

2.1. Parámetros MOSFET

En resistencia, R_{ds (bajo).}
Esta es la resistencia entre los terminales de fuente y drenaje cuando el MOSFET se activa completamente en.

Corriente de drenaje máxima, I_{d (max).}
Esta es la corriente máxima que el MOSFET puede soportar pasar de drenaje a la fuente. Se determina en gran medida por el paquete y RDS (on).

Disipación de potencia, P_d.
Esta es la máxima capacidad de manejo de potencia del MOSFET, que depende en gran medida del tipo de paquete que se encuentra.

factor de corrección lineal.
Esto es lo que el parámetro de disipación de potencia máxima anterior debe ser reducida por cada ºC, ya que la temperatura se eleva por encima 25ºC.

Energía de avalancha E_A
Esta es la cantidad de energía que el MOSFET puede soportar en condiciones de avalancha. Avalancha se produce cuando se excede el máximo de tensión drenaje-fuente, y la corriente corre a través de la MOSFET. Esto no causa ningún daño permanente, siempre y cuando la energía (tiempo x alimentación) en la avalancha no exceda el máximo.

Recuperación máxima de diodos, dv / dt
Esta es la rapidez con que el diodo intrínseco puede ir desde el estado de apagado (polarización inversa) para el estado conectado (realización). Depende de la cantidad de tensión estaba al otro lado antes de que se encienda. Por lo tanto el tiempo empleado, t = (recuperación de diodo de tensión / inversa de pico).

DVoltaje de ruptura de lluvia a fuente, V_DSS.
Este es el voltaje máximo que se puede colocar de drenaje a la fuente cuando el MOSFET está apagado.

Resistencia térmica, θ_jc.
Para obtener más información sobre la resistencia térmica, véase el capítulo sobre los disipadores de calor.

Voltaje de umbral de puerta, V_{GS (TH)}
Esta es la tensión mínima necesaria entre los terminales de puerta y de fuente para activar el MOSFET en. Se necesitará más que esto para convertirlo completamente en.

Transconductancia directa, g_fs
A medida que se incrementa la tensión de puerta-fuente, cuando el MOSFET está empezando a encender, tiene una relación bastante lineal entre Vgs y la corriente de drenaje. Este parámetro es simplemente (Id / Vgs) en esta sección lineal.

Capacitancia de entrada, C_ISS
Esta es la resistencia interna despreciable entre el terminal de puerta y los terminales de fuente y de drenaje. La capacitancia al drenaje es el más importante.

Hay una introducción más detallada en los MOSFET en el documento International Rectifier Acrobat (PDF) Conceptos básicos de alimentación MOSFET. Esto explica de dónde provienen algunos de los parámetros en términos de la construcción del MOSFET.

2.2. Hacer la elección

Energía y calor

El poder que el MOSFET tendrá que hacer frente es uno de los principales factores decisivos. La potencia disipada en un MOSFET es el voltaje a través de ella veces la corriente que pasa a través de él. A pesar de que se trata de cambiar grandes cantidades de energía, esto debería ser bastante pequeño, ya sea porque el voltaje a través de ella es muy pequeña (interruptor está cerrado - MOSFET está encendido), o la corriente que pasa a través de ella es muy pequeña (interruptor está abierto - MOSFET es apagado). El voltaje a través del MOSFET cuando está encendido será la resistencia del MOSFET, RDS (on) veces la corriente va a fondo la misma. Esta resistencia, RDSon, por buenas MOSFET de potencia será menor que 0.02 Ohms. A continuación, la potencia disipada en el MOSFET es:

Para una corriente de 40 amperios, RDSon de 0.02 Ohms, este poder es 32 Watts. Sin un disipador de calor, el MOSFET quemaría disipar tanta potencia. La elección de un disipador de calor es un tema en sí mismo, por lo que hay un capítulo dedicado a ella: disipadores de calor.

La resistencia de conexión no es la única causa de la disipación de potencia en el MOSFET. Otra fuente se produce cuando el MOSFET está cambiando entre estados. Durante un corto período de tiempo, el MOSFET está en la mitad y la otra mitad fuera. Utilizando las mismas figuras de ejemplo que el anterior, la corriente puede estar en un medio valor, 20 Amps, y la tensión puede estar en un medio valor, 6 voltios al mismo tiempo. Ahora, la potencia disipada es 20 × 6 120 = Watts. Sin embargo, el MOSFET solamente está disipando esto por el corto período de tiempo que el MOSFET está cambiando entre estados. Por tanto, la disipación de potencia media causada por esto es mucho menos, y depende de los tiempos relativos que el MOSFET está cambiando y que no cambian. La disipación media está dada por la ecuación:

2.3. Ejemplo:

Problema Un MOSFET se conecta al 20kHz, y toma 1 microsegundo para cambiar entre los estados (encendido a apagado y apagado a encendido). La tensión de alimentación es 12v y la corriente 40 amperios. Calcular el promedio de pérdida de potencia de conmutación, suponiendo que el voltaje y la corriente están en la mitad de los valores durante el periodo de conmutación.

Solución: En 20kHz, hay una ocurrencia conmutación MOSFET cada 25 microsegundos (un interruptor en cada 50 microsegundos, y un interruptor de apagado cada 50 microsegundos). Por lo tanto, la relación de tiempo de conmutación para el tiempo total es 1 / 25 = 0.04. La disipación de potencia durante el cierre será (12v / 2) x (40A / 2) = 120 Watts. Por lo tanto las pérdidas de conmutación media es 120W x = 0.04 4.8 Watts.

Cualquier disipación de potencia por encima de aproximadamente 1 Watt requiere que el MOSFET está montado sobre un disipador de calor. Los MOSFET de potencia vienen en una variedad de paquetes, pero normalmente una lengüeta metálica que se coloca contra el disipador de calor, y se utiliza para conducir el calor lejos de la semiconductor MOSFET.

El manejo de la potencia del paquete sin un disipador de calor extra es muy pequeña. En algunos MOSFETs, la lengüeta de metal está conectado internamente a una de las terminales de MOSFETs - por lo general el desagüe. Esto es una desventaja, ya que significa que usted no puede caber más de un MOSFET de un disipador de calor sin aislar eléctricamente el paquete MOSFET del disipador de calor de metal. Esto se puede hacer con hojas de mica delgada colocados entre el paquete y el disipador de calor. Algunos MOSFETs tienen el paquete aislado de los terminales, lo que es mejor. Al final del día, su decisión es probable que se basa en el precio sin embargo!

2.3.1. Corriente de drenaje

MOSFETs son generalmente anuncian por su corriente máxima de drenaje. La propaganda publicitaria, y la lista de características en la parte frontal de la hoja de datos pueden citar una corriente continua de drenaje, Id, de 70 amperios y una corriente de drenaje pulsada de 350 amperios. Hay que tener mucho cuidado con estas figuras. No son los valores medios generales, pero el máximo del MOSFET realizarán en las mejores condiciones posibles. Para empezar, que normalmente se citan para su uso a una temperatura paquete de 25 ºC. Es muy poco probable cuando se está de paso 70 amperios que el caso seguirá siendo en 25ºC! En la hoja de datos debería ser un gráfico de la cifra que reduce la potencia al aumentar la temperatura.

La corriente de drenaje por impulsos siempre es citado bajo condiciones de cambiar con los tiempos de conexión en letra muy pequeña en la parte inferior de la página! Esto puede ser un ancho de pulso máxima de un par de cientos de microsegundos, y un ciclo de trabajo (porcentaje de tiempo ON a OFF) de solamente 2%, lo que no es muy práctico. Para obtener más información acerca de las clasificaciones actuales de los MOSFETs, echar un vistazo a este documento International Rectifier.

Si no puede encontrar un solo MOSFET con una corriente de drenaje máxima suficientemente alta, entonces se puede conectar más de una en paralelo. Ver más adelante para obtener información sobre cómo hacer esto.

2.3.2. Velocidad

Usted va a utilizar el MOSFET en un modo de conmutación para controlar la velocidad de los motores. Como hemos visto antes, cuanto más tiempo que el MOSFET está en el estado en el que no es ni el ni fuera, más la energía que se disipará. Algunos MOSFETs son más rápidos que otros. La mayoría de los modernos serán fácilmente ser lo suficientemente rápido para cambiar en varias decenas de kHz, ya que es casi siempre la forma en que se utilizan. En la página 2 de la hoja de datos, debería ver los parámetros de tiempo de activación de retardo, tiempo de subida, Turn-Off tiempo de retardo y tiempo de caída. Si estos se suma todo, se le dará el período mínimo aproximado de onda cuadrada que se podría utilizar para cambiar este MOSFET: 229ns. Esto representa una frecuencia de 4.3MHz. Tenga en cuenta que sería llegar a estar muy caliente, ya que aunque sería pasar mucho de su tiempo en la conmutación sobre el estado.

3. Un ejemplo de diseño

Para tener una idea de cómo utilizar los parámetros y los gráficos en la hoja de datos, vamos a ir a través de un ejemplo de diseño:
Problema: Un circuito de control de velocidad de puente completo está diseñado para controlar un motor 12v. La frecuencia de conmutación debe estar por encima del límite audible (20kHz). El motor tiene una resistencia total de 0.12 Ohms. Elija MOSFET adecuadas para el circuito de puente, dentro de un límite de precio razonable, y sugerir cualquier heatsinking que pueda ser necesaria. La temperatura ambiente se supone que es 25ºC.

Solución: Vamos a echar un vistazo a la IRF3205 y ver si es adecuado. En primer lugar el requisito actual de drenaje. En la parada, el motor se llevará a 12v / 0.12 100 Ohms = Amperios. Primero vamos a hacer una conjetura en la temperatura de la unión, en 125ºC Hay que buscar lo que la corriente máxima de drenaje está en 125ºC primero. El gráfico de la figura 9 nos muestra que en 125ºC, la máxima corriente de fuga es de aproximadamente 65 amperios. Por lo tanto IRF2s 3205 en paralelo deben ser capaces a este respecto.

La cantidad de energía serán los dos MOSFETs en paralelo se disipan? Vamos a empezar con la disipación de potencia, mientras que en el motor y estancado, o acaba de empezar. Es decir, los actuales tiempos cuadrado en la resistencia. ¿Qué es RDS (on) al 125ºC? Figura 4 muestra la forma en que haya sido reducido a su valor de primera página de 0.008 ohmios, por un factor de aproximadamente 1.6. Por lo tanto, suponemos RDS (on) serán 0.008 1.6 x = 0.0128. Por lo tanto PD = x 50 50 0.0128 x = 32 Watts. ¿Qué parte del tiempo el motor se paró bien o el inicio? Esto es imposible de decir, por lo que tendrá que adivinar. 20% de las veces es una cifra bastante conservadora - es probable que sea mucho menos. Puesto que la potencia hace que el calor, y la conducción de calor es un proceso bastante lento, el efecto de disipación de potencia tiende a ser promediada a lo largo de períodos de tiempo bastante largo, en la región de segundos. Por lo tanto podemos desclasificar la demanda de potencia con el citado 20%, para llegar a una disipación de potencia media de 32W x 20% = 6.4W.

Ahora hay que sumar la potencia disipada debido a la conmutación. Esto ocurrirá durante el ascenso y tiempos, que se citan en la tabla de características eléctricas que 100ns y 70ns respectivamente caer. Suponiendo que el controlador MOSFET puede suministrar corriente suficiente para cumplir con los requisitos de estas cifras (puerta resistencia de la fuente de accionamiento de la corriente 2.5 Ohms = unidad de salida de impulsos del 12v / 2.5 Ohms = 4.8 amperios), entonces la relación del tiempo de conmutación al estado de equilibrio y hora 170ns * 20kHz = 3.4mW que es insignificante. Estos tiempos de encendido y apagado son un poco crudo, sin embargo, para obtener más información sobre los tiempos de encendido y apagado, ver aquí.

Ahora, ¿cuáles son los requisitos de conmutación? El barco controlador MOSFET utilizamos será hacer frente a la mayor parte de éstos, pero su comprobación de valor. El voltaje de conexión, VGS (th), a partir de las gráficas de la figura 3 5 es un poco más de voltios. Ya hemos visto que el conductor debe ser capaz a la fuente 4.8 amperios para un período muy corto de tiempo.

Ahora ¿qué pasa con el disipador de calor. Es posible que desee leer el capítulo sobre los disipadores de calor antes de esta sección. Queremos mantener la temperatura de la unión semiconductora continuación 125ºC, y se nos ha dicho que la temperatura ambiente es 25ºC. Por lo tanto, con un MOSFET de disipación 6.4W en promedio, la resistencia térmica total debe ser inferior a (125 - 25) / 6.4 15.6 = ºC / W. La resistencia térmica de la salida al caso compensa 0.75 ºC / W de este, caso típico de los valores del disipador de calor (usando compuesto térmico) son 0.2 ºC / W, lo que deja 15.6 - 0.75 - 0.2 = 14.7 ºC / W para el propio disipador de calor. Disipadores de calor de este valor θjc son bastante pequeños y baratos. Tenga en cuenta que el mismo disipador de calor se puede utilizar para ambos MOSFETs a la izquierda de o a la derecha de la carga en el puente H-, ya que estos dos MOSFETs nunca ambos están en al mismo tiempo, y por lo tanto nunca puede ser tanto disipar energía en al mismo tiempo. Los casos de ellos deben estar aislados eléctricamente sin embargo. Vea la página de disipadores de calor para obtener más información sobre el aislamiento eléctrico requerido.

4. controladores MOSFET

Para activar un MOSFET de potencia en, el terminal de puerta debe estar ajustado a un voltaje de al menos 10 voltios mayor que el terminal fuente (sobre 4 voltios para MOSFETs de nivel lógico). Este es el parámetro cómodamente por encima de VGS (th).

Una característica de los MOSFET de potencia es que tienen una gran capacidad parásita entre la puerta y el resto de terminales, Ciss. El efecto de esto es que cuando el pulso al terminal de puerta llega, debe cargar primero esta capacitancia antes de que el voltaje de la puerta puede llegar a los voltios 10 requeridos. El terminal de puerta a continuación, de manera efectiva toma de corriente. Por lo tanto el circuito que acciona el terminal de puerta debe ser capaz de suministrar una corriente razonable por lo que la capacitancia parásita se puede cargar hasta lo más rápidamente posible. La mejor manera de hacer esto es utilizar un chip controlador MOSFET dedicado.

Hay una gran cantidad de chips de controlador MOSFET disponibles de varias compañías. Algunos se muestran con enlaces a las hojas de datos de la siguiente tabla. Algunos requieren el terminal fuente del MOSFET para ser conectado a tierra (para los menores MOSFETs 2 en un puente completo o simplemente un circuito de conmutación simple). Algunos pueden conducir un MOSFET con la fuente a un voltaje más alto. Estos tienen una bomba de carga en el chip, lo que significa que pueden generar los voltios 22 necesarios para convertir el MOSFET superior en un brifge a tope. El TDA340 incluso controla la secuencia swicthing para usted. Algunos pueden suministrar tanto como 6 actual amperios como un impulso muy corto para cargar la capacitancia parásita puerta.

Para obtener más información sobre los MOSFET y cómo manejarlas, International Rectifier tiene un conjunto de documentos técnicos sobre su gama HEXFET aquí.

A menudo verá una resistencia de bajo valor entre el conductor del MOSFET y el terminal de puerta del MOSFET. Esto es para amortiguar las oscilaciones de llamada por cualquier causadas por la inductancia y capacitancia puerta de plomo que de otro modo puede ser superior a la tensión máxima permitida en el terminal de puerta. También se ralentiza la velocidad a la que el MOSFET se enciende y apaga. Esto puede ser útil si los diodos intrínsecos en el MOSFET no se encienden con la suficiente rapidez. Más detalles de esto se pueden encontrar en los documentos técnicos International Rectifier.

5. MOSFET de paralelización

MOSFETs pueden ser colocados en paralelo para mejorar la capacidad de manejo de corriente. Simplemente unirse a la puerta, fuente y terminales de drenaje juntos. Cualquier número de MOSFETs puede conectar en paralelo, pero tenga en cuenta que la capacidad de puerta se suma a medida que PARALELO más MOSFETs, y, finalmente, el conductor MOSFET no será capaz de conducirlos. Tenga en cuenta que no se puede Parellel transistores bipolares como este. Las razones detrás de esto se discuten en un documento técnico aquí.

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