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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA – GRUPO 6

Práctica 2: Capacitancias Parasitas en el MOSFET (Marzo 2014) Camilo Ortiz, Ana María Álvarez, Felipe Duarte, Diego Robayo 20082005008, 20082005029, 20091005032, 20071005024 Electrónica de Potencia, Ingeniería Electrónica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas Bogotá DC, Colombia Resumen – En este documento se pretende mostrar el desarrollo de un circuito para medir el tiempo de activación y desactivación en un transistor de efecto de campo calculando las capacitancias parasitas; para la implementación de dicho circuito será necesario utilizar un MOSFET como switch observando cómo varían los tiempos a diferentes resistencias en el Gate, para finalmente hallar el τ y compararlo con los resultados dados por el fabricante. Palabras claves – MOSFET, condensador, Tiempo de carga. I.

Fig. 2. Comportamiento de un MOSFET ideal [1]

INTRODUCCIÓN

Los Transistores son utilizados como interruptores en los circuitos electrónicos de potencia. Los circuitos de excitación de los transistores se diseñan para que estos estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados). Esto difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como, por ejemplo, un circuito amplificador, en el que el transistor opera en la región lineal o activa. Los transistores tiene la ventaja de que proporcionan un control de activación. [1]

El circuito de excitación para activar y desactivar un MOSFET es normalmente más sencillo que el utilizado para un BJT. En el estado de conducción, Las variaciones de 𝑉𝐷𝑆 son linealmente proporcionales a las variaciones de 𝑖𝐷 . Por lo tanto, el MOSFET en estado de conducción puede modelarse como una resistencia de conducción denominada 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) . Los MOSFET de baja tensión tienen resistencias de conducción son menores a 0,1Ω mientras que los MOSFET de alta tensión tienen resistencias de conducción de unos cuantos ohmios. La construcción de los MOSFET produce un diodo parasito, lo que se puede utilizar de forma ventajosa en circuitos electrónicos de potencia. Los valores nominales llegan a alcanzar hasta 1000V y 50A. Las velocidades de conmutación de los MOSFET son mayores que las del BJT y se utilizan en convertidores que operan por encima de los 100Khz. [1]. CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN Si no tiene señal de compuerta, un MOSFET de tipo incremental se puede considerar como dos diodos conectados espalda con espalda, o como un transistor NPN. La estructura de la compuerta.[2]

Fig. 1. MOSFET y curva caracteristica [1] El MOSFET es un dispositivo contolado por tension con su curva caracteristica mostrada en la Fig.1 .Los MOSFET de potencia son fundamentalmente de acumulacion mas que de empobrecimiento. Una tension Gate-Source lo suficientemente grande activara el dsipositivo, dando lugar a una pequeña tension Drain-Source. Fig. 3. Modelo de interrupción para un MOSFET [2]

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II.  

OBJETIVOS

Observar los efectos de la capacitancia de entrada en un MOSFET de potencia. Determinar los tiempos de encendido y apagado de un MOSFET de potencia III. MATERIALES

Los materiales a utilizar en este laboratorio fueron:  Dispositivo de conmutación (MOSFET, IRF 840, IRF 640).  Resistencias de potencia.  Conectores de potencia.  Sondas.  Osciloscopio.

Fig. 4. Modelo de conmutación para un MOSFET [2]

IV. PROCEDIMIENTO Implementar un circuito que utilice un MOSFET como interruptor de una señal CD (mínimo 25v). La corriente de carga debe ser de por lo menos 1A. Determine la capacitancia de entrada del MOSFET variando la resistencia de Gate y compare los resultados con los entregados por el fabricante. Para varias resistencias de Gate determine los tiempos de retraso en activación y desactivación, así como los tiempos de elevación y caída. Compare la señal de activacion con la de la carga con diferentes resistencias de Gate y concluya. Repita el procedimiento con al menos otro MOSFET diferente. Fig. 5. Formas de onda y tiempos de conmutación. [2] V. Tiene capacitancias parásitas Cgs respecto a la fuente y Cgd respecto al drenaje. El transistor NPN tiene una unión con polarización inversa, del drenaje a la fuente, y forma una capacitancia Cds . La región de base a emisor de un transistor NPN se pone en corto en el dado del microcircuito, al metalizar la terminal de la fuente y la resistencia de la base al emisor, debido a que la resistencia R bc del material de las regiones n y p es pequeña. Por consiguiente, se puede considerar que un MOSFET tiene un diodo interno. Las capacitancias parásitas dependen de sus voltajes respectivos. El modelo de conmutación de los MOSFET se ve en la fig. 4. Las formas de onda y los tiempos típicos de conmutación se ven en la fig.5. El retardo de encendido t d(enc) es el tiempo necesario para cargar la capacitancia de entrada hasta el valor del voltaje umbral. El tiempo de subida t r , es el tiempo de carga de la compuerta, desde el nivel de umbral hasta el voltaje total de compuerta VGSP , que se requiere para activar al transistor hasta la región lineal. El tiempo de retardo de apagado t d(apag) es el necesario para que la capacitancia de entrada se descargue desde el voltaje de sobre saturación V1 hasta la región de estrechamiento. El voltaje VGS debe disminuir en forma apreciable antes de que VDS comience a subir. El tiempo de caída t f es el necesario para que la capacitancia de entrada se descargue desde la región de estrechamiento hasta el voltaje de umbral. Si VGS ≤ VT , el transistor se des activa.[2]

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

El circuito propuesto para realizar las pruebas del tiempo de activación y desactivación del MOSFET consta de:

CIRCUITO DE SWITCH Se genera una señal cuadrada con un ciclo útil del 50% a una frecuencia de 20Khz, la amplitud de la señal generada es de 5v pero con el fin de activar el MOSFET se usa un transistor en corte y saturación con Vcc de 12 v.

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VI. SUMULACIONES

VIII. RESULTADOS OBTENIDOS

Figura 4 Voltaje en la carga con Rgate = 0 Figura 1 Circuito de conmutación

Figura 5 Voltaje en la carga con Rgate = 2k

Figura 2 Voltaje en la carga, Rgate = 0.1 Ohms

Figura 6 Voltaje en gate

Figura 3 Voltaje en la carga, Rgate = 1KOhm Se puede evidenciar un deterioro en la señal de la carga, a medida que aumenta la resistencia de gate.

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Rgate

Td(Enc)

Tr

Td(off)

Tf

Cg

IX. CONCLUSIONES 

 

Las capacitancias parasitas de mosfet aun cuando son de valores bajos, pueden llegar a ocasionar grandes deficiencias en el funcionamiento del dispositivo, si no son tenidas en cuenta. La forma de la señal de voltaje del gate evidencia la carga y descarga de dos capacitores. La respuesta en frecuencia de los mosfets está limitada por las capacitancias parasitas de dichos dispositivos. X. REFERENCIAS

[1]W. Hart Daniel; Electrónica de potencia; Prentice Hall Edición en Español 1997. [2]Muhammad Rashid; Electrónica de potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones; Prentice Hall Edición en Español 1995.

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