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LW1DSE > TECH 07.09.17 22:56l 241 Lines 12003 Bytes #999 (0) @ WW
BID : 146-LW1DSE
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Subj: Fuentes Conmutadas #20 [CP437]
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ÉÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍ»
º FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS º
º Por Osvaldo LW1DSE º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Habiendo visto que es por dentro un MOSFET, y analizado los detalles
m s relevantes de tal dispositivo, ahora llega el turno de ver como se compor-
ta cuando es sometido a condiciones normales de trabajo en una fuente conmu-
tada, es decir, precisamente, conmutando cargas inductivas. Hicimos incapi‚
en las caracter¡sticas capacitivas de la compuerta del MOSFET, y de c¢mo a
trav‚s del conocido efecto Miller (que fuera publicado por su autor en 1920
cuando las v lvulas termoi¢nicas dominaban el campo de la electr¢nica de a-
quel 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 pro-
veerle a la compuerta del MOSFET de un flujo de carga y descarga de las capa-
cidades intervinientes, y eso es corriente el‚ctrica. Y la corriente el‚ctrica
son cargas en movimiento, es decir, electrones.
En muchos manuales de semiconductores MOS de potencia, se hace refe-
rencia a la carga de compuerta QG m s que a las capacidades, porque es un
valor m s realista que nos dice cu nto 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 movi-
lizar y la cantidad de veces por segundo que tenemos que realizar ese movi-
miento, 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 conmu-
tar una carga a alta velocidad. Eso se hace habitualmente analizando un gr -
fico que nos muestra la evoluci¢n de la tensi¢n y corriente en el Drain versus
la cantidad de carga entregada o removida de la compuerta. Esto se evaluar a
lo largo de 4 per¡odos de tiempo llamados t0 a t4, y hay uno para la apertura
y otro para el cierre del MOSFET. Se analizan en el circuito de la figura 1,
s decir, un MOSFET en el cual hay una carga inductiva y un diodo damper, al
cual se lo supone transportando una corriente de recirculaci¢n de un ciclo
anterior.
+ oÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄ¿
Ei ³ ³ ³
³ Á Û
³ ^ D1 Û
³+ Â Û
ÄÁÄ Ci ³ Û L1
ÄÂÄ ³ ³
³- ÃÄÄÄÄÄÙ
³ ³
³ ³ÄÄÙ
³ oÄÄÄÄ´<Ä¿ MF1
³ ³ÄÄ´
³ oÄÄÄÄÄÄÄ´
- oÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ´
ÄÁÄ
///
1) Para el cierre:
^
³ Vgs (Tensi¢n compuerta-fuente) [Volts]
³
³
³ ______________
³ /
³<-- Qgs ->:<--- Qgd ---->:/ :
³ ________________/ :
³ / :
³ / : : :
³ / : : :
³ / : : :
³ / : : :
³ / : : :
³ / : : :
VgsthÃ--/ : : :
³ / : : : Tiempo [æSeg]
t0³/ :t1 :t2 t3: :t4
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ>
: :
: : :
^ Vds (Tensi¢n drenaje-fuente) [Volts]
³ Id (Corriente de drenaje [Amper]
³
³ : : :
Vds ³............... :
³ . :
³ : : . :
³ : : . : --> Id
³ : ________._____________________
³ : / .
³ : / . :
³ : / . :
³ : / . :
³ : / . :
³ : / . :
³ :/ .: Id*Rdson Tiempo [æSeg]
³ / ..............
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ>
* 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 ‚sta adquiere su ten-
si¢n de umbral, que es cuando el MOSFET empieza a conducir (unos 3V).
* Intervalo t1-t2: La compuerta lleg¢ a la tensi¢n necesaria para que el FET
empiece a conducir. La corriente de drain comienza a circular, pero la tensi¢n
no puede descender. Se desperdicia potencia en el dispositivo por existencia
simult nea de tensi¢n y corriente en sus terminales.
* Intervalo t2-t3: Durante este tiempo empieza a caer la tensi¢n en bornes
del dispositivo. La variaci¢n de tensi¢n se acopla a la compuerta por el efec-
to Miller, lo cual se manifiesta por el valle en la tensi¢n 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 ten-
si¢n queda limitada al valor de Id * Rdson del MOSFET. Al ya no haber varia-
ci¢n de la tensi¢n de drain, el efecto Miller desaparece de la escena, y la
tensi¢n compuerta-fuente alcanza su m ximo de unos 10 a 12V. Mas de eso no
tiene ninguna ventaja y puede producir efectos graves en el MOSFET.
2) Para la apertura:
^
³ Vgs (Tensi¢n compuerta-fuente) [Volts]
³
³< Qgs>:<-- Qgd --->:
³ : :
³\ : :
³ \ : :
³ \ : :
³ \ : :
³ \ : :
³ \_____________
³ \
³ : :\
³ : : \
³ : : \
³ : : :\
³ : : : \
VgsthÃþþþþþþþþþþþþþþþþþþþþþþþþþ\
³ : : : :\ Tiempo [æSeg]
t0³ :t1 t2: :t3: \:t4
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ>
: : : :
: : : :
^ Vds (Tensi¢n drenaje-fuente) [Volts]
³ Id (Corriente de drenaje [Amper]
³
³ : : : -->Vds
³ : ................
³ : .:
³ : . : :
³ : . : :
³ : . : :
³ : . : :
³_____________._____ :
³ . \ :
³ : . \ :
³ : . \ :
³ : . \ :
³ : . \ : <--Id Tiempo [æSeg]
Id*Rdson ³........ \
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ>
* Intervalo t0-t1: Se empiezan a remover las cargas de la compuerta, entonces
la Rdson del MOSFET empieza a aumentar, pero las condiciones de tensi¢n y co-
rriente de drenaje permanecen inalteradas. Es un retardo a la desconexi¢n.
* Intervalo t1-t2: Se alcanza la cantidad de cargas en la compuerta suficien-
temente bajas como para que la resistencia del canal se eleve. El efecto
Miller nuevamente est presente porque desde la tensi¢n de drenaje que empieza
a subir se acopla dicha variaci¢n sobre la compuerta, provocando que, a pesar
de seguir sacando cargas, la tensi¢n de compuerta no pueda descender y enton-
ces permanece constante. Nuevamente se tiene presente en el seno del cristal
tensi¢n drenaje-fuente a plena corriente de carga, ergo se consume potencia
activa que se transforma en calor.
* Intervalo t2-t3:La tensi¢n de drenaje ya es la m xima del dispositivo,
alcanza el valor de Ei, y reci‚n ahora que cesa la variaci¢n de tensi¢n de
drenaje, se suspende el efecto Miller, entonces puede empezar a desaparecer
lentamente la corriente de drenaje. Esto sucede hasta que la tensi¢n de com-
puerta alcanza el umbral de la no-conducci¢n, momento en el cual el MOSFET ya
se encuentra apagado.
* Intervalo t3-t4: Con el dispositivo apagado, la tensi¢n de compuerta conti-
nuar descendiendo hasta que llega a 0V. {2}
En estos p rrafos el lector hallar la justificaci¢n del porqu‚ rei-
teradadas veces dije que es importante una alta velocidad en la conmutaci¢n.
Tanto durante el encendido como en el apagado, se transita una zona donde el
dispositivo pasa a operar en clase A, con tensi¢n drenaje-fuente importante y
con corriente de drenaje. Las velocidades en la ca¡da o subida de la corriente
no dependen del MOSFET ni de su driver, pues est fijada por la tensi¢n de
alimentaci¢n Ei, la inductancia y la frecuencia (o mejor dicho, la cantidad de
tiempo que est conectado el circuito). Pero s¡, un buen driver puede hacer
que el tiempo que duran esos per¡odos de tiempo sean cortos o largos. Empero,
achicar los tiempos demanda una velocidad m s alta en la entrega y remoci¢n
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 m s poderosos, y por
tanto mas costosos. De la otra manera; con conmutaci¢n lenta; se necesita un
MOSFET m s grande, y un discipador de mayor tama¤o, lo que encarece el costo,
el volumen y el peso de la fuente. En definitiva, el crierio que prevalece
es la resoluci¢n de una ecuaci¢n mas vale econ¢mico-financiera que una del
tipo tecnol¢gica propiamente dicha. El problema es que, por lo general, detr s
de todo este gran dilema est la confiabilidad de la fuente, y en definitiva,
la reputaci¢n de la empresa manufacturera.
{2} Esta parte del cap¡tulo ha sido condensada y traducida desde un art¡culo
publicado en Internet por Bill Andreycak "Practical Considerations in High
Performance MOSFET, IGBT, & MCT gate driver Circuits" para la firma Unitrode
Corporation.
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 28 de agosto de 2017. º
ÈÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍÍͼ
Fin del cap¡tulo #20.
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
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