5. trans compuerta aislada

7/22/2019 5. Trans Compuerta Aislada.

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FACULTAD DE INGENIERIAPROGRAMA: INGENIERIA ELECTRONICA

ASIGNATURA: ELECTRNICA DE POTENCIAPREPARADO POR: OVIDIO R. OSPINO MIELES.

SANTA MARTA 2013


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TRANSISTORES DE COMPUERTA A ISLADA

MOSFET o IGFETMOS: Metal Oxide Semiconductor.FET: Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de

efecto campo basado en laestructura MOS. (Metal OxidoSemiconductor)

Construido con la terminal de lacompuerta aislada del canal con

el dielctrico dixido de silicio(SiO2)

Dispositivos de portadoresmayoritarios.

IGBTIG: Insulated Gate.BT: Bipolar transistor. Consiste en un transistor

bipolar con compuertaaislada basado en laestructura MOS. (MetalOxido Semiconductor)

Construido con la terminalde la compuerta aisladacon el dielctrico dixidode silicio (SiO2)

Dispositivos de portadoresminoritarios

Baja disipacin de calor.


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PORTADORES DE CARGA

En los semiconductores, los electrones y loshuecos son los portadores de carga.

Los ms abundantes son llamadosPortadores mayoritarios. En los

semiconductores tipo N son los electrones,y en los tipo P son los huecos.

Los portadores de carga menos abundantesson llamados Portadores Minoritarios; ensemiconductores tipo N corresponde a los

huecos y en los semiconductores tipo P alos electrones


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MOSFET o IGFET

MOS: Metal Oxide Semiconductor FET: Field Effect Transistor. FET basado en estructura MOS.

Dispositivo controlado por voltaje. Alta velocidad de conmutacin(nano seg)

Alta impedancia entrada.(>40 Megohmios).

Dispositivos de portadores mayoritarios.

No presenta ruptura secundaria Buena estabilidad trmica

Fcil puesta en paralelo sin resistencia deecualizacion.

Resistencia considerable en zona hmica


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MOSFET o IGFET

MOSFET: Sustrato de material semiconductor dopado en elque, por tcnicas de difusin de dopantes, se crean dos islasde tipo opuesto separadas por un rea sobre la cual seensancha una capa dielctrica rematada por una capaconductora.

Dispositivo Unidireccional. Bloqueo de voltaje directo superior a 1000V. No bloquea voltaje inverso. Existen dos tipos de MOSFET: 1. De enriquecimiento (The Enhacement IGFET). 2. De empobrecimiento (The Depletion IGFET). Segn la clase de dopaje ambos tipos de MOSFET se

clasifican en: Canal N o NMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n. Canal P o PMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.


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MOSFET O IGFET

, +, +, +, +


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NOMENCLATURA DEL MOSFET


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MOSFET O IGFET


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MOSFET O IGFET


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MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO

(The Enhancement MOSFET)

MOSFET de enriquecimientoCanal N, no tiene un canalfsico. Si VGS es positivo, un voltaje inducido atraer loselectrones del substrato P y los almacenar en la superficiepor debajo de la capa de xido. Si VGS es mayor o igual aun voltaje conocido como voltaje de umbral, VT, seacumular un nmero suficiente de electrones para formarun canal virtual N y la corriente (ID) fluir del drenaje ala fuente.

Si es un MOSFET de enriquecimiento canal P, se invierten laspolaridades de VDS, IDS y VGS


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MOSFET DE AGOTAMIENTO

(The Dep letion MOSFET)

Un MOSFETtipo agotamiento de canal N, se forma en unsubstrato de silicio tipo P con dos silicios N+ fuertementedopados para tener conexiones de baja resistencia. Lacompuerta est aislada del canal mediante capa de xido.

3 terminales: Compuerta, drenaje y fuente. Normalmente el substrato se conecta a la fuente. El voltaje

entre compuerta fuente, VGS, puede ser positivo o negativo; sies negativo algunos electrones del rea del canal N sernrepelidos y se crear una regin de agotamiento por debajo dela capa de xido, que resultar en un canal efectivo ms angostoy en una alta resistencia de drenaje a fuente, RDS.

Si VGS se hace suficientemente negativo, el canal se

agotar totalmente, ofreciendo un alto valor RDS, y nohabr flujo de drenaje a fuente, IDS = 0. Cuando esto ocurreal VGS se le conoce como voltaje de estrechamiento Vp.

Si VGS se hace positivo, el canal se ensancha, e IDSaumenta debido a la reduccin de RDS.

Con un MOSFET tipo agotamiento de canal P se invierten las

polaridades de VDS, IDS y VGS.


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e


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MOSFET DE DEPLEXION O

EMPOBRECIMIENTO


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MOSFET DE ACUMULACION O

ENRIQUECIMIENTO


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SIMBOLOGIA PARA LOS MOSFET


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POLARIZACION DE MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO


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POLARIZACION DE MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO


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SENTIDO DE POLARIZACION DE MOSFET

EMPOBRECIMIENTO1. Existe continuidad

elctrica entre fuente

y sumidero si no haytensin de puerta.

2. La puerta puedepolarizarse positiva o

negativamente.

ENRIQUCIMIENTO1. No existe continuidad

elctrica entre

sumidero y fuente sintensin de puerta.

2. El sentido depolarizacin de

puerta y sumideroson iguales.


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CARACTERISTICAS ESTATICAS DE UN MOSFET


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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y DE

TRANSFERENCIA DE UN MOSFET

:

= () =

:

= () =


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CARACTERISTICAS DE SALIDA DE UN MOSFET

Las caractersticas de salida se obtienen manteniendoconstante la tensin de puerta y encontrando pares de

valores de . Para formar la familia de curvas se repite

el proceso para valores distintos de .

Para los MOSFET de Empobrecimiento existen curvas para

valores positivos y negativos de tensin de puerta. Y para los

de Enriquecimiento la curvas solo son para valores positivos

de tensin de puerta.

Cuando < El MOSFET responde como una

resistencia de silicio, creciendo casi lineal con .

Cuando || se acerca a | | la resistencia del canal

aumenta y la relacin entre es cada vez menos lineal.

Cuando || > , El MOSFET estar en la regin

de saturacin, trabajar en la regin normal de las

caractersticas y la se hace casi independiente de . La

poca dependencia se debe al efecto campo elctrico

longitudinal el cual aumenta con .

Si Excede un determinado se produce la ruptura por

avalancha y, crecer sbitamente, condicin que debe

evitarse


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CARACTERISTICAS DE SALIDA DE UN MOSFET

EMPOBRECIMIENTO ENRIQUECIMIENTO


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CURVA DE SALIDA


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CARACTERISTICAS DE SALIDA DE UN

MOSFET

La pendiente de la zona de trabajo de la caracterstica desalida es una medida de la admitancia de salida que est

definida como:

=

.

El reciproco de la admitancia de salida es la impedancia desalida, que depende de ,


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CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA

DE UN MOSFET

Las caractersticas de transferencia se obtienen manteniendoconstante la tensin drenador fuente y encontrando

pares de valores de .

Estas caractersticas indican el control que ejerce sobre la

corriente y tensin de salida.

Para baja frecuencia (1Khertz) se tiene la transadmitancia

directa de dispositivo o transconductancia directa o

conductancia mutua .

O sea a 1Khertz se tiene = =

=

( )


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CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA DE

UN MOSFET

IGFET ENRIQUECIMIENTO IGFET EMPOBRECIMIENTO


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MOSFET B DE EMPOBRECIMIENTO


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CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA DEUN MOSFET

EMPOBRECIMIENTO

1. El VT (voltaje umbral) esla tensin de puerta

necesaria para reducir acero corriente dedrenador o sumidero ID

ENRIQUCIMIENTO

1. Puede aplicarse unapequea tensin menor a

VT

(voltaje umbral) sinque aparezca corriente dedrenador o sumidero ID


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CIRCUITOS EQUIVALENTES DE UN

IGFET

PARA BAJS FRECUENCIASSUPERPUESTO A LAESTUCTURA FISCA


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CIRCUITO EQUIVALENTE USUAL


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FUENTE COMUN


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SUMIDERO COMUN


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PUERTA COMUN


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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y REGION SEGURA


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AMPLIFICADOR CON MOSFET DEENRIQUECIMIENTO


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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y RECTA DE CARGA


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CARACTERISTICAS DE SAL IDA Y RECTA DE CARGA

El valor de la resistencia de carga se escoge de tal forma

que la recta de trabajo dibujada sobre las caractersticas de

salida pase por los puntos = = y adems,

que corte la lnea donde = para una aproximadamente igual a la mitad del valor de la corriente de

sumidero mxima permisible.

La pendiente de la recta de carga: =


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PARAMETROS MAS SIGNIFICATIVOS DEL MOSFET

DE ENRIQUECIMIENTO

ID(on)

VGS(on)

VDS(on)

RDS(on)

Vt=VGS th

Valores suministrados por el fabricantecorrespondientes al punto ON defuncionamiento, que normalmente se tomael de mxima conduccin del transistor,

cuando trabaja como interruptor

Tensin de umbral, mnima necesaria parala conduccin del canal


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= ( ) : || > ||

Las intensidades de corriente de saturacin para cada

se llaman , y satisfacen: = (

)


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Al incrementar la tensin VDS se

crea un gradiente de voltaje en elinterior del canal

El canal sufre una deformacinprogresiva y hace a la RDS noconstante

Finalmente, para una tensinVDS=VDS sat, el canal se estrangulapor el lado del drenador,saturndose, y manteniendoconstante la ID

VDS sat = VGS - Vt



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PARAMETROS MAS SIGNIFICATIVOS DEL MOSFET DEEMPOBRECIMIENTO

IDSS=IDSo

VDSsat

Vt=VGS th

RDS(on)

Tensin de umbral, VGS que corta el canal o la mnima

necesaria para la conduccin del canal

Corriente de saturacin para VGS=0

Tensin VDS necesaria para entrar en saturacin para VGS=0

Resistencia del canal para la mxima conduccin del transistor

VDS sat = VGS - Vt

Las ecuaciones de funcionamiento en la zona de saturacin son las

mismas que las del transistor JFET:

2

1

Vt

VII

GS

DSoDSsat


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Si VGS es positiva el canal se enriquecede electrones y aumenta la conduccin.Se comporta como el MOSFET de

enriquecimiento.Si VGS es negativa el canal se vaca deelectrones disminuyendo la intensidadde drenador se comporta como un JFETde canal N.

2

1

Vt

VII

GS

DSoDSsat


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MOSFET DOBLE


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ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOSFET

Estado de corte: Tensin de puerta es idntica a la del sustrato,no fluye corriente entre fuente y drenador aunque se aplique unadiferencia de potencial entre ambos.

Conduccin lineal: Puerta con polarizacin negativa para canalP (PMOS) o positiva para canal N (NMOS), se crea una zona dedeplexin en la regin que separa la fuente y el drenador. Si estatensin se incrementa lo suficiente, aparecern portadores

minoritarios (electrones en canal P, huecos en canal N) en laregin de deplexin que darn lugar a un canal de conduccin.Circulara corriente entre fuente y drenador.

El MOSFET se comportar como una resistencia controlada por latensin de puerta.

Saturacin: Si la tensin entre drenador y fuente supera ciertolmite, el canal de conduccin bajo la puerta desaparece porestrangulamiento. La corriente entre fuente y drenador no seinterrumpe, porque es debida al campo elctrico entre ambos,pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre losdos terminales.


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MOSFET COMO INTERRUPTOR

En esencia, un MOSFET es un interruptor que se activa electrnicamente. Si el voltaje aplicado a la puerta est por debajo del umbral, el interruptor

se abre (Corte).

Si el voltaje aplicado a la puerta est por encima del umbral, el interruptorse cierra (Saturacin).

Un MOSFET puede estar normalmente cerrado (Tipo empobrecimiento).

Un MOSFET puede estar normalmente abierto (Tipo enriquecimiento) El MOSFET puede ser utilizado como amplificar seal elctrica. Existen

amplificadores de potencia basados en MOSFET.

La distancia entre placas del capacitor de G es de algunos pocos micrones loque hace al G sumamente frgil a tensiones estticas. Por ello se obtienenlos mejores resultados de los MOSFET evitando las tensiones estticas

excesivas.


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MOSFET COMO INTERRUPTOR


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ENCENDIDO DE LAMPARA


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MANEJO DE UN MOTOR DC


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MOSFET ENRRIQUECIMIENTO CANAL P


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CONTROL DE GIRO MOTOR DC


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CIRCUITO TIPICO DE COMPUERTA


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PUENTE H CON MOSFET


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ESPECIFICACIONES DE UN MOSFET


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CARACTERISTICAS DE TRABAJO


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IMPEDANCIA TERMICA POR TRANSIENTE


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TIEMPOS DE CONMUTACION


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EJERCICIO

EJERCICIOS


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EJERCICIOS

Si presenta un voltaje bajo, la salida

ser igual a (20 v)

Si presenta un voltaje alto, el MOSFET

inferior se comportar como una

resistencia() = .

Y = () =

+() ()

=

+ =


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EJERCICIOS

Si presenta un voltaje bajo, la salida

ser igual a (10 v)

Si presenta un voltaje alto, el MOSFETinferior se comportar como una

resistencia() = .

Y = () =

+() ()

=

+ =


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EJERCICIOS


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EJERCICIOS

Calcule Para un MOSFET con las siguientescaractersticas: () = , () = .

Calcule ()Para un MOSFET con las siguientes

caractersticas: () = () = .

Un MOSFET que se encuentra en la regin hmica, tiene una

() = . Si la corriente de drenador ()= 100mA.

Calcule la tensin . Resp: 0.2 V


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EJERCICIOS

Para el circuito de la figura:

Calcule para cada una de las posiciones del

interruptor de gate si:

() = ,

() =

() = ,

() =

() =

() =

Respuesta: 20V y 0,5V


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EJERCICIOS

Respuesta: 15V y 0,23V

EJERCICIOS


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EJERCICIOS

En el siguiente circuito tome los dos MOSFET comoidnticos. Segn las caractersticas de salida mostradas:

Cul es el voltaje de compuerta para que Q2 trabaje en la

regin hmica?

Calcule() para Q2, sabiendo que para Q2 nunca

sobrepasa 3V cuando el conmutador este en alto.

Cul es el valor de para Q1si =

Cul es el valor de para una =2mA cuando el

conmutador est en alto.

Calcule la tensin de salida para ambas posiciones del

conmutador.

Respuestas:) = . )() = . ) = ,. ) = ,.

) = ,,


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EJERCICIOS


72/106

EJERCICIOS

() = =

.

: ,

EJERCICIOS


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EJERCICIOS

El MOSFET de la figura es de enriquecimiento canal N y

tiene () = () = ..

Qu valor debe tener la resistencia R para que cuando se

apague la luz del recinto se encienda automticamente la

lmpara?Respuesta: =


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EJERCICIOS

Tome los datos del transistordados en el ejercicio anterior.La lmpara alcanza su mximobrillo cuando el transistorMOSFET entra en la regin

hmica. Calcule el valor de Cpara que el mximo brillo selogre en 15 segundosaproximadamente.

Respuesta: C=13,65F.


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Ejercicio

.: = ,, =

, = = , = ., =


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:

= =

: = ( )

=

( , )

= + + = + +

= + + = () + =

( , )

=

Ejercicio


77/106

, =

,

, = ,

(,)() + , =

, (,) + , = ,

,() + , = ,

+ ,() + , = ,

+ ,() + , = ,

+ , + , = ,

+ , + , = , , + ,

() =

Ejercicio


78/106

:

:

= , ,

: = ,

: = ,

: = ( )

=

(, , )

=

(, ) =

(, )

= ,

Ejercicio


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EJERCICIOS


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EJERCICIOS


81/106

MPT50N05E

SMM70N06

MTW10N100ESFF10N100N

CIRCUITO CEKIT


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CIRCUITO CEKIT


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IGBT

IG: Insulated Gate.BT: Bipolar transistor.

IGBT


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IGBT

IG: Insulated Gate.BT: Bipolar transistor. Consiste en un transistor bipolar con compuerta aislada. Dispositivos de portadores minoritarios Baja disipacin de calor. Circuito de control sencillo Soporta grandes picos de corriente elevados Han desplazado a los MOSFET y BJT Baja tensin colector emisor en plena conduccin Tiene limitaciones de funcionamiento dentro de SOA idnticas

al MOSFET:

Corriente mxima directa Temperatura de unin mxima usualmente 150C VDSM depende de la tensin de ruptura del transistor PNP. Los datos tcnicos siguen nomenclatura similares a los BJT y

MOSFET

IGBT


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IGBT

Combina las ventajas del BJT y el MOSFET. Tiene alta impedancia de entrada, como un MOSFET, y pocas

perdidas por conduccin en estado activo, como los BJT. No tiene problemas por avalancha secundaria, como los BJT. Tiene menores perdidas de conmutacin que un BJT y es ms

rpido.

Presenta menores perdidas por conduccin que un MOSFET.


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SIMBOLOS DE IGBT

SIMBOLO DE IGBT


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SIMBOLO DE IGBT

MODELOS EQUIVALENTES DEL IGBT


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MODELOS EQUIVALENTES DEL IGBT

CIRCUITO CON IGBT


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CARACTERISTICAS DE SALIDA Y TRANSFERENCIA


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C C S C S S S CDEL IGBT

OPERACIN DE UN IGBT


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OPERACIN DE UN IGBT

Dependiendo de su polaridad existen IGBT NPN o PNP.

Consideremos un circuito equivalente NPN.

Si VGE = 0, El IGBT esta cortado.

A medida que se incrementa VGE(positivamente) y se supera elvoltaje umbral VGE(th) el IGBT entra en conduccin permitiendo lacirculacin de corriente de colector (IC). A partir de esemomento una pequea variacin en la tensin de compuertacausa un gran incremento en la corriente de colector.

Existe un VGE para el cual el IGB se satura.

CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL IGBT


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CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL IGBT

IGBT


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IGBT


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IGBT

IGBT


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IGBT

ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO DEL IGBT


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Existen cuatro condiciones de polarizacin posibles. Dependiendo delsentido o signo de los voltajes de polarizacin en cada una de lasuniones del transistor pueden ser :

Estado Regin activa directa: Corresponde a polarizacin directa de launin emisor - base y a una polarizacin inversa de la unin colector- base. Esta es la regin de operacin normal del transistor paraamplificacin.

Estado Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacin inversade la unin emisor - base y a una polarizacin directa de la unincolector - base. Esta regin es usada raramente.

Estado de corte: Corresponde a una polarizacin inversa de ambasuniones. La operacin en sta regin corresponde a aplicaciones deconmutacin en el modo apagado, pues el transistor acta como un

interruptor abierto (I C =0). Estado de saturacin: Corresponde a una polarizacin directa de

ambas uniones. La operacin en esta regin corresponde aaplicaciones de conmutacin en el modo encendido, pues el transistoracta como un interruptor cerrado (VCE =0).

LOS IGBT


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LOS IGBT

Presentan alta impedancia de entrada y baja resistencia desalida,

Tienen reas de operacin segura muy amplia, no presentan elfenmeno de avalancha trmica,.

Son fciles de controlar porque prcticamente no requieren

corriente de entrada,. Toleran picos de corriente, funcionan bien conectados en

paralelo para aumentar capacidad de manejo de corriente.

Tiene caractersticas de conduccin superiores y actualmenteno son tan rpidos como los MOSFET de potencia, suscaractersticas de conmutacin tienden a ser muy parecidas.

Ofrecen resistencia de conduccin [Rce(on)] tpicamenteinferior a 10m, mucho menor que los MOSFET bajo igualescondiciones de trabajo. Por lo tanto, tiene una mayorcapacidad de corriente, baja disipacin de calor para altascorrientes y alto factor de amortiguamiento con cargasinductivas.

CORRIENTE DE COLA EN IGBT


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CORRIENTE DE COLA EN IGBT

La corriente de cola se presentaporque la conmutacin del BJTes ms lenta, debido a la cargade huecos en la regin n-almacenada en su base.

Provoca prdidas considerablescon corriente relativamente altay tensin muy elevada adems,limita la frecuencia defuncionamiento.

SIT o STATIC INDUCTION TRANSISTOR


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SIT = STATIC INDUCTION TRANSISTOR.

Dispositivo de alta potencia y alta frecuencia (Microondas y amplificadoresde Audio, de DHF/UHF)

Alta capacidad de potencia en audiofrecuencias.

Capacidad de corriente 300A a los 1200 Volt.

Baja resistencia en serie de compuerta.

Baja capacitancia compuerta fuente Baja Resistencia trmica.

Bajo ruido.

Baja distorsin

Tiempos de activacin y desactivacin menor de 0.25 microsegundos)

Debido al incremento exponencial de la corriente como respuesta de la

disminucin de la barrera, las caractersticas de salida del SIT son nosaturadas.

Es similar al JFET.

El SIT es un dispositivo importante porque entrega potenciaextremadamente alta por unidad de rea.


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Desventajas: Alta cada de voltaje en estado activo,

(tpicamente de 90v para dispositivo de 180 A y de 18V para unode 18 A).

Limitada aplicacin en conversiones de potencia.


SIMBOLO DEL SIT


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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL SIT


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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL SIT

CARACTERISTICAS DE SALIDA DEL SIT


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SID o DIDO SITSITL SITL


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y SITL o SITL(Static Induction Transistor Logic)

PROTECCION DE UN BJT POR SIT

(SATURACION)


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(SATURACION)


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5. trans compuerta aislada

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