TRANSISTORES MOSFET / IGBT

AUTOTRONICA

G

D

S

D

GS

Canal N

Canal P

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

Conducción debida a electrones

Conducción debida a huecos

Los más usados son los MOSFET de canal N

La conducción es debida a los electrones y por tanto, son más rápidos

TRANSISTOR MOSFETCaracterísticas

Fabricación es simple.Reducido tamaño.Se puede evitar el uso de resistencias.Reducido consumo de energía.Pueden emplearse tanto en funciones

analógicas como .

Existen cuatro tipos de transistores MOS:

PRINCIPIO DE OPERACION

NMOS de enriquecimiento

Se aplica una tensión VDS mayor que cero mientras que VGS se mantiene en cero. Al aplicar una tensión positiva a la zona N del drenaje, el diodo que forma éste con el sustrato P se polarizará en inversa, con lo que no se permitirá el paso de corriente: el MOS estará en corte.

G

PRINCIPIO DE OPERACION

NMOS de enriquecimiento

Si aplicamos un potencial VGS positivo, mientras mantenemos la VDS positiva también. La capa de aislante de la puerta es muy delgada, tanto que permite al potencial positivo aplicado repeler a los huecos y atraer a los electrones del material P.

G

PRINCIPIO DE OPERACION

NMOS de enriquecimiento

A mayor potencial aplicado, mayor número de electrones será atraído, y mayor número de huecos repelido. La consecuencia de este movimiento de cargas es que debajo del terminal G se crea un canal negativo, de tipo N, que pone en contacto el drenaje con la fuente. Por este canal puede circular una corriente.

G

PRINCIPIO DE OPERACION

NMOS de empobrecimiento

En este caso el canal ya está creado. Por lo tanto, si con VGS = 0 aplicamos una tensión VDS aparecerá una corriente de drenaje ID. Para que el transistor pase al estado de corte será necesario aplicar una tensión VGS menor que cero, que expulse a los electrones del canal.

G

PRINCIPIO DE OPERACION

NMOS de empobrecimiento

En este caso el canal ya está creado. Por lo tanto, si con VGS = 0 aplicamos una tensión VDS aparecerá una corriente de drenaje ID. Para que el transistor pase al estado de corte será necesario aplicar una tensión VGS menor que cero, que expulse a los electrones del canal.

G

PRINCIPIO DE OPERACION

NMOS de empobrecimiento

También en este caso, la aplicación de una VDS mucho mayor que VGS provoca una situación de corriente independiente de VDS.

G

APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

ELECTRONICA ANALOGICA Resistencias variables de valor gobernable

por tensión (variando la anchura del canal).Amplificadores de tensión, especialmente en

la amplificación inicial de señales de muy baja potencia.

Control de potencia eléctrica entregada a una carga.

APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO

ELECTRONICA DIGITALDebido a la capacidad de trabajar entre dos estados diferenciados (corte y conducción) y a su bajo consumo de potencia de control, Para esta aplicación se emplean dispositivos de muy baja resistencia.

La caída de tensión en conducción es muy pequeña.

La transición entre el estado de corte y el de conducción es instantánea.

PRECAUCIONES EN EL USO DE TRANSISTORES MOSFET

G

D

S

DS G

+

P-

Substrato

N+ N+

• 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 entre fuente y drenador en los MOSFET de enriquecimiento.

Encapsulados de MOSFET

TO 220D 61

TO 247 TO 3

Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET

• Tensión de ruptura

• Resistencia en conducción

• Corriente máxima

Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales

Baja tensión

Media tensión Alta tensión

15 V

30 V

45 V

55 V

60 V

80 V

100 V

150 V

200 V

400 V

500 V

600 V

800 V

1000 V

L O S I G B T ( I N SU L AT E D G AT E B I P O L A R T R A N SI S T O R , T R A N S I ST O R B I P O L A R D E P U E RTA A I S L A D A ) D I S P O S I T I VO E L E C T R Ó N I C O.S E A P L I C A A C I R C U I T O S D E P O T E N C I AC O N M U TA C I Ó N E N S I S T E M A S D E A LTA T E N SI Ó N. G AT E (G ) O P U E RTA , C O L E C T O R ( C ) Y E M I S O R ( E )

TRANSISTORES IGBT

El IGBT se desarrolló con la idea de aprovechar simultáneamente las ventajas de la baja resistencia de conducción de los BJT y la elevada velocidad de conmutación de los MOSFET.

Coeficiente de temperatura positivo que les hace adecuados para funcionar en paralelo al sufrir una sobrecarga aumentan su resistencia de conducción reduciendo su carga.

En este dispositivo, se utiliza la tensión entre puerta y emisor para controlar el estado de funcionamiento.

La tensión de control de puerta 15V ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta

• bloqueado, la curva v-i del dispositivo, la intensidad colector-emisor es nula, se comporta como un circuito abierto.

• Cuando se aplica una tensión positiva entre puerta y emisor el dispositivo pasa al estado de conducción permitiendo el paso de corriente en el sentido colector emisor.

• EL IGBT requiere un valor límite VGS (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones.• Bajo ciclo de trabajo• Baja frecuencia (< 20 kHz)• Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)• Alta potencia (>5 kW)

Aplicaciones típicas del IGBT. • Control de motores• Sistemas de alimentación ininterrumpida• Sistemas de soldadura• Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia.

Valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios, IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.

En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.

CONCLUSIÓN

Según el avance de la tecnología siempre existirá una evolución constante de todo dispositivo, en especial cuando se trata de dispositivos electrónicos tales como los transistores que permiten una gran versatilidad a la hora de controlar dispositivos electrónicos.