Los transistores MOSFET son utilizados masivamente en el mundo como conmutadores gracias a sus características de tamaño, facilidad de uso y bajo consumo de energía, lo cual los convierte en el ladrillo constructor de los circuitos integrados digitales de hoy en día, estando presentes en prácticamente todos los dispositivos electrónicos en grandes números. Sin embargo, este artículo está orientado a los hermanos más grandes de los minúsculos transistores que hacen funcionar el procesador del PC que está usando, los MOSFET de potencia. Estos transistores comparten todas las características de sus hermanos pequeños, permitiendo conmutaciones muy veloces y un bajo consumo de energía, pero con capacidad para manejar grandes tensiones y corrientes.
Físicamente todos los MOSFET lucen casi iguales, en la imagen he dibujado uno “canal n”. Constructivamente se trata de un semiconductor con dopaje tipo P (sustrato) en el cual se crean dos zonas de dopaje N (en verde) separadas por una cierta distancia. Sobre el semiconductor se agrega una capa de óxido, el cual es aislante. En rojo se ven los contactos metálicos del transistor. Al aplicar un voltaje positivo entre la fuente y la compuerta no se produce conducción pues la compuerta está físicamente aislada del semiconductor. Sin embargo, en la parte superior del semiconductor tipo P (justo bajo la compuerta) se produce una acumulación de electrones producto de la atracción eléctrica generada por el voltaje de la compuerta. Si este voltaje es lo suficientemente grande (positivo), la acumulación de electrones forma un canal que une ambas zonas de tipo N, donde los portadores mayoritaros son los electrones, permitiendo así la conducción eléctrica entre Drain y Source. Es claro que al quitar el voltaje de la compuerta la conducción desaparece inmediatamente.
De lo anterior se deduce que el tamaño del canal dependerá fuertemente del nivel de tensión aplicado a la compuerta ya que mientras mayor sea, más electrones habrá en el canal, condicionando así la corriente que puede pasar. Además, existe un efecto capacitivo de influencia no menor en muchos casos producto de la aislación con óxido de silicio, el cual puede ser crítico a la hora de necesitar conmutaciones rápidas. Es por esto que se requiere conocer las características particulares del MOSFET a usar y los requerimientos de la aplicación a la hora de diseñar el circuito que lo controlará.
Resistencia Drain-Source (Drenador-Fuente)
Al estar encendido el MOSFET presenta un comportamiento resistivo que se modela por el parámetro RDS cuyo valor varía según las condiciones de operación. Se puede observar su comportamiento en el data sheet. A continuación se presentan algunos gráficos típicos:
El primer gráfico muestra que hasta cierto nivel de corriente en el drain la resistencia RDS se mantiene bastante baja y lineal, sin embargo, al exigir mayor corriente ésta aumenta bruscamente subiendo el voltaje drain source y por consiguiente la potencia disipada por el MOSFET poniéndolo en peligro de quemarse (el canal se está usando totalmente por lo que no puede circular más corriente por él). También se puede apreciar que dicho límite varía fuertemente con diferentes tensiones en la compuerta (gate), por lo que mayores tensiones de disparo (voltaje en el gate) permiten mayor circulación de corriente (más tensión genera un canal más ancho, con más electrones). Una visión más directa de RDS se puede apreciar en el segundo gráfico en el que se ve cómo ésta aumenta a medida que la corriente sube para diferentes valores de VGS (voltaje en el gate) y además se puede obtener su valor.
El otro factor a considerar para determinar las tensiones usadas en los disparos de un MOSFET es el voltaje de umbral en el gate (tercer gráfico). Dicho umbral determina la tensión necesaria para formar el canal, por lo que una señal de apagado debe estar bajo este umbral y una de encendido sobre el mismo.
Con estos parámetros se pueden determinar las tensiones necesarias para conmutar el MOSFET dada una aplicación determinada.
Tiempo de Conmutación
Debido a la presencia de una capacidad entre el gate y source, además de usar un nivel de tensión adecuado en el gate, se le debe entregar una cierta cantidad de carga para encenderlo satisfactoriamente. El tiempo que tarde en acumularse dicha carga determinará el tiempo de conmutación del MOSFET. El siguiente gráfico se puede encontrar en los data sheets e indica la carga necesaria para obtener la máxima circulación de corriente dados un voltaje gate source y un nivel de tensión entre drain y source.
En el gráfico, si se utiliza una tensión de 12V en el gate, es necesario además entregarle aproximadamente 600nC de carga para obtener la conmutación completa, lo cual se puede relacionar con el tiempo de encendido de la siguiente manera:
De lo anterior se puede obtener la corriente que debe ser capaz de entregar el driver del MOSFET para lograr un encendido en un intervalo de tiempo determinado.
En el caso del ejemplo, si se desea obtener un tiempo de conmutación de 300nS, entonces el driver debe ser capaz de entregar 2A al gate rápidamente (durante los primeros 300nS). Luego del peak de corriente inicial en el gate, ésta se reducirá casi por completo ya que está aislado por el óxido de silicio, en este punto sólo es necesario mantener la tensión, es por esto que cuando es necesaria una rápida conmutación suelen utilizarse condensadores para proveer este peak a través de su descarga, los cuales deben ubicarse físicamente lo más cerca posible del driver para reducir las inductancias de las pistas de la PCB permitiendo cargas y descargas más rápidas.
Para el caso del apagado del MOSFET, el proceso es exactamente el mismo pero a la inversa, en este caso el condensador que se forma en el transistor debe descargarse, lo cual se hace comúnmente a través del driver, para ello suelen contar con salidas del tipo push-pull.
Autor: RoMaNo.
