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LW1DSE > TECH 06.09.17 22:23l 237 Lines 13510 Bytes #999 (0) @ WW
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Subj: Fuentes Conmutadas #19 [CP437]
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Hasta ac hemos explicado diversas topolog¡as, que se diferencian
entre s¡, por el rango de potencias en que son utilizadas, aisladas o no,
fuentes en paralelo, etc. Pero todas ellas tienen algo en com£n: un elemento
de potencia, que hoy por hoy, en la mayor¡a de los casos es un MOSFET. Vamos
pues a dedicarle unas l¡neas a este tan noble dispositivo. El objetivo de este
estudio es analizar como funciona por dentro (a grandes razgos), y un pu¤ado
de circuitos t¡picos para exitar correctamente tales dispositivos. Pero, vamos
tambi‚n a analizar algunas de sus desventajas, algunas de las cuales actual-
mente se las ha dado vuelta, y ya se las utilizan a nuestro favor en los
convertidores cuasirresonantes.
El MOSFET por dentro.
ÚÄÄÄÄÄÄ¿
³\ ³ Fig 1:Estructura del MOSFET.
Drain ÄÄÄÄ>³ ³ ³
(drenaje) ³/N+ ³
³ ³
³³ ³
Gate ÄÄÄÄ´³ P ³
(compuerta) ³³ ³
³ ³
³\ ³<ÄÄÄÄÄÄ Substrato
Source ÄÄÄÄ>³ ³ ³ (conectado
(fuente) ³/ ³ al source)
³ N+ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÙ
N+ :zonas muy dopadas.
N,P:zonas de dopaje normal.
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 depo-
sitan 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 deposici¢n de ¢xido de silicio (SiO2) (el cual es
un muy buen aislante) de espesor uniforme del orden de 0.1 æm (un diezmillo-
n‚simo de metro) y sobre ella una metalizaci¢n de aluminio que forma capaciti-
vamente la compuerta del MOSFET. Sobre la cara posterior se realiza otra meta-
lizaci¢n con el objeto de efectuar la conexi¢n del sustrato, que luego se
conecta al source.
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³VD <--- ID ---< ²
³ ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ² Rl
³ ³\ ³ + ³
Drain ÀÄÄÄÄ>³ ³ ³ ÄÄÁÄÄ
³/N+ ³ ÜÜÜ VDD
³°| ³ - ³
VG +³³°| ³ Á
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ´³°| P ³ Gnd
+ ³ Gate +³³°| ³
ÄÄÁÄÄ ³°| ³
ÜÜÜ ³\ ³ ° =>" canal N": inducido por
- ³ Source ÚÄÄÄÄ>³ ³ ³ una diferencia de potencial
Á ³ ³/ ³ positiva gate a source:
Gnd ³ ³ N+ ³ MOSFET conduce corriente.
³ ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
Á Fig 2: MOSFET con tensiones
Gnd positivas en el Drain
y Gate contra Source.
Al aplicar una tensi¢n positiva a la compuerta, se forma por oposici¢n
una nube de cargas negativas (electrones) que se ven atra¡das a dicha zona por
la carga positiva en la compuerta. Cuando la carga de compuerta alcanza un
nivel impoertante, se forma un canal tipo N en la superficie interna debajo de
la metalizaci¢n de la compuerta. Una vez que se form¢ la nube de electrones,
la tensi¢n de alimentaci¢n 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 ten-
si¢n VD es lo suficientemente grande, debido a esa diferencia de potencial
con la compuerta, impide la formaci¢n del canal, con lo cual ‚ste se extran-
gula. En dicha zona vaciada de cargas, se produce un intenso campo el‚ctrico
que impulsa a los electrones que, entrando desde el source llegan al drain,
cerrando el circuito. Luego de esto, cualquier aumento en la tensi¢n de
drenaje, se localiza all¡ en la zona de extrangulaci¢n del canal. No produce
entonces, aumento de la corriente, porque dijimos que es una zona vac¡a de
portadores (electrones). Variando la polarizaci¢n 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 conmutaci¢n, el driver debe cargar y descargar r pida
mente dicha capacidad de compuerta, y adem s 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.
Cdg o
Ú´Ã---Å--¿
| ³ | Fig 3: capacidades par sitas
| ³ | del MOSFET
| ³ÄÄÙ Á
oÄÅÄÄ´<Ä¿ Â Cds
| ³ÄÄ´ |
| ³ |
À´Ã---Å--Ù
Á
Cgs
La capacidad Cgs normalmente en un MOSFET es de un valor bastante
grande (entre 100 pF y 10 nF variando seg£n las caracter¡sticas del dispositivo
considerado), y la de salida Cds es relativamente chica, y pueden ser conside-
radas parte del circuito de entrada y de salida respectivamente. Pero la que
m s complica la situaci¢n 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 m s
grande que el valor que figura en los manuales, o que podamos medir con un
capac¡metro, donde A es la amplificaci¢n de tensi¢n de peque¤a se¤al del
dispositivo en cuesti¢n. Esto quiere decir que nuestro driver debe ser capaz
de cargar y descargar tan r pido como le sea posible una capacidad de:
Ce = Cgs + (A+1) * Cdg [pF] (1)
Ejemplo: En el Manual de Power MOS de ST Microelectronics, para un MOSFET de
los normalmente usados en fuentes conmutadas como es el IRF840 leemos:
Cgs= 1100 pF,
Cds= 190 pF,
Cdg= 80 pF.
A simple vista parece "chica" comparada contra las dem s. Pero veamos
cuando el MOSFET est trabajando. Supongamos que Ei es de 300 V (los 220V rec-
tificados) y la exitaci¢n es de 10 V pico a pico en la compuerta. Haciendo la
cuenta que indica la f¢rmula (1) tenemos:
Variaci¢n Tensi¢n de salida
A = ganancia de tensi¢n = ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
Variaci¢n Tensi¢n de entrada
= 300 Vp-p / 10 Vp-p
= 30 veces.
Ce = 1100 pF + (30 + 1) 80 pF =
= 1100 pF + 31 * 80 pF =
= 1100 pF + 2480 pF =
= 3580 pF
Como vemos, resulta m s de tres veces la capacidad medible con el
capac¡metro. Y es casi 45 veces la "inocente" capacidad natural Cdg.
2) Forma un circuito de realimantaci¢n negativa que tiende a mantener al
MOSFET en la condici¢n en la que estaba antes de forzarlo a cambiar de estado:
Si el transistor est bloqueado, su tensi¢n drenaje fuente es la de la VDS
aplicada. Si ahora lo hacemos entrar a conducir, como esa capacidad esta car-
gada a VDS, y la tensi¢n de drain tiende a bajar al encenderse el dispositivo,
acopla por capacidad esa variaci¢n de tensi¢n en sentido negativo a la com-
puerta intentando volver al estado de bloqueo. Si en la situaci¢n examinada
estaba en plena conducci¢n, y con dicha capacidad poco cargada, al intentar
llevarlo al bloqueo, acopla parte de la variaci¢n en sentido positivo de la
tensi¢n drenaje-fuente hacia la compuerta intentando mantenerlo abierto. Es
decir, tiende a oponerse a la causa que provoca una variaci¢n del estado
actual del MOSFET, y que justo es lo contrario a lo que necesitamos para una
r pida conmutaci¢n y de bajas p‚rdidas. Desde otro punto de vista, y como
todo circuito de realimentaci¢n negativa, tiene a mantener al dispositivo en
la regi¢n lineal, es decir, operando en clase A.
3) Si el driver por un accidente es desconectado y la compuerta queda flotante
y sin una polarizaci¢n determinada, dicha capacidad puede acoplar una peque¤a
variaci¢n de la tensi¢n de drain, llev ndolo a una condici¢n oscilatoria que
acaba s£bitamte con la vida £til del semiconductor. Si el MOSFET est cerrado,
una peque¤a alteraci¢n en sentido positivo de la tensi¢n de alimentaci¢n del
circuito se acopla a trav‚s de Cdg, con la aparici¢n de una variaci¢n en
sentido positivo de la tensi¢n compuerta-fuente, incit ndolo a conducir. Esa
conducci¢n fuerza un descenso en la tensi¢n de drain, nuevamente acoplada al
gate por Cdg. La carga puede no ser capaz de soportar esa oscilaci¢n, trans-
form ndose en calor dentro del dispositivo, provocando un embalamiento t‚rmi-
co. Pero a£n hay m s. La capa de ¢xido de silicio es un muy buen aislante pero
no es perfecto, por lo cual existen peque¤as fugas de corriente cont¡nua desde
el drenaje hacia la compuerta, y dicha tensi¢n tiene la misma polaridad que la
que necesita la compuerta para hacer entrar el conducci¢n al MOSFET. Por lo
tanto, ‚ste se ve forzado a mantenerse abierto y sin control. En esas condi-
ciones, representa un verdadero peligro. Si est 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 destrucci¢n de ‚sta. 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 n£cleo del
transforamdor con la corriente cont¡nua. Por esta raz¢n 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
sin¢ al source).
4) Si la conexi¢n desde el gate del MOSFET hasta el driver es larga, o est
vinculada a ‚l mediante trasformadores, puede existir una inductancia elevada
en el nodo, la cual entrar¡a en oscilaci¢n con las capacidades del MOSFET
mismo y las par sitas del conexionado, excitado por la misma onda rectangular,
que como sabemos, es rica en arm¢nicos. Si dicha oscilaci¢n supera en alg£n
transitorio, la tensi¢n de ruptura de la capa de ¢xido de silicio (unos 20 a
30V), la misma se perfora, destruy‚ndose 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 perforaci¢n.
Hace algunos a¤os se recomendaba incluir un zener de unos 15 a 18V en paralelo
con la conexi¢n compuerta-fuente, pero actualmente se desaconseja porque el
zener suele ser lento para la frecuencia de las oscilaciones, y agrega capaci-
dades 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, sin¢ mas bien de
como est gobernado el mismo. Es similar a una carrera de autos. Un coche de
caracter¡sticas sobresalientes en manos de un piloto de poca categor¡a, inex-
perto o imprudente, puede terminar en un desastre para ‚l y los que lo rodean.
{1} Esta p rrafo fue condensado de: Angel D. Tremosa; Electr¢nica del Estado
S¢lido Editorial Marymar; paginas 265 a 270.
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Redacci¢n y dibujos en ASCII por LW1DSE Osvaldo F. Zappacosta. º
º Barrio Garay, Almirante Brown (1846), Buenos Aires, Argentina. º
º Realizado con Editor de Texto de MSDOS 7.10's (edit.com) en mi AMD's 80486.º
º 26 de mayo de 2012. º
º Revisado y actualizado 30 de agosto de 2017. º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Fin del cap¡tulo #19.
ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay (GF05tg) Alte. Brown, Bs As, Argentina.º
º Mother UMC æPC:AMD486@120MHz 32MbRAM HD SCSI 8.4Gb MSDOS 7.10 TSTHOST1.43C º
º 6 celdas 2V 150AH. 18 paneles solares 10W. º
º lw1dse@yahoo.com ; lw1dse@gmail.com º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
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