Introducción a las pérdidas de conmutación MOSFET

El funcionamiento de MOSFET se puede dividir en dos modos básicos: lineal y de conmutación. En modo lineal, el voltaje puerta-fuente del transistor es suficiente para permitir que la corriente fluya a través del canal, pero la resistencia del canal es relativamente alta. El voltaje a través del canal y la corriente que fluye a través del canal son significativos, lo que da como resultado una alta disipación de potencia en el transistor.

En modo de conmutación El voltaje puerta-fuente es lo suficientemente bajo como para evitar el flujo de corriente o lo suficientemente alto como para poner al FET en un estado "completamente mejorado" donde la resistencia del canal se reduce considerablemente. En este estado, el transistor se comporta como un interruptor cerrado: incluso cuando fluyen grandes corrientes a través del canal, la disipación de potencia es baja o moderada.

Cuando la operación de conmutación se acerca al caso ideal, la pérdida de potencia se vuelve insignificante. El interruptor está completamente inactivo, sin corriente y, por lo tanto, sin pérdidas, o completamente activo, con una resistencia mínima y, por lo tanto, una pérdida mínima. Debido a su alta eficiencia, el modo de conmutación se utiliza en muchas aplicaciones: piense en circuitos CMOS digitales, fuentes de alimentación y amplificadores de clase D.

Sin embargo, cambiar los MOSFET en la práctica implica pérdidas que los diseñadores a menudo deben considerar al seleccionar piezas y diseñar PCB. En este artículo analizamos tres tipos de disipación de energía involuntaria:

• Pérdida de línea.
• Pérdida de conmutación.
• Pérdida de carga en la puerta.

Pérdida de línea

La pérdida de conducción es la potencia disipada cuando la corriente fluye a través de la resistencia distinta de cero del canal de un MOSFET. La resistencia de la fuente de drenaje de un MOSFET completamente mejorado se denota por R_{DS(encendido)}.

La Figura 1, tomada de la hoja de datos del MOSFET NDS351AN de Onsemi, muestra cómo la resistencia del canal disminuye a medida que aumenta el voltaje de la fuente de la puerta. El estado totalmente mejorado corresponde a los tramos de las curvas con pendiente baja.

Ilustración 1. Resistencia del canal versus voltaje de fuente de puerta para el MOSFET NDS351AN. Imagen cortesía de Onsemi

La pérdida de línea actual (PAG_C) se puede calcular utilizando una de las fórmulas estándar de potencia eléctrica:

$$P_{C}~=~(I_{D})^2~\times~R_{DS(on)}$$

Ecuación 1.

Dónde I_D es la corriente de drenaje-fuente del FET.

También podemos calcular la pérdida de línea promediada en el tiempo usando corriente efectiva en lugar de corriente instantánea:

$$P_{C(RMS)}~=~(I_{D(RMS)})^2~\times~R_{DS(on)}$$

Ecuación 2.

Dado que suponemos que la cantidad de corriente que fluye a través del MOSFET depende de los requisitos de la aplicación, la forma de reducir la pérdida de conducción es reducirla. R_{DS(encendido)}. Esto se logra principalmente mediante una cuidadosa selección de componentes: algunos FET modernos, incluidos el carburo de silicio y el nitruro de galio, ofrecen valores extremadamente bajos. R_{DS(encendido)}.

Además, también debe asegurarse de que las condiciones de funcionamiento y los circuitos circundantes ayuden al FET a lograr la resistencia de canal más baja posible. Incluso las fracciones de un ohmio pueden ser importantes cuando se requieren grandes corrientes, como el convertidor reductor de la Figura 2.

Figura 2. La corriente de carga en un convertidor reductor debe fluir a través de la resistencia del canal del elemento de conmutación, que suele ser un MOSFET. Imagen cortesía de Robert Keim

Pérdida de conmutación

En el modelo simplificado de operación en modo de conmutación, un MOSFET está completamente encendido o completamente apagado. Sin embargo, un modelo más realista debe reconocer que la transición entre los dos estados no es instantánea. En cambio, el FET opera brevemente en modo lineal con una alta pérdida de energía cada vez que cambia. Esto conduce a un segundo tipo de pérdida, llamada pérdida de conmutación.

Calcular la pérdida de conmutación no es fácil porque la transición entre los estados encendido y apagado es un proceso altamente dinámico en el que la resistencia del canal cambia continuamente. ROHM Semiconductor sugiere la fórmula de la Ecuación 3 en esta nota de aplicación.

$$P_{SW}~=~\frac{1}{2}~\times~V_{IN}~\times~I_D~\times~\left(t_R~+~t_F\right)~\times~f_ {SO}$$

Ecuación 3.

Esta ecuación indica que la pérdida de conmutación (PAG_SUDOESTE) depende de todos los siguientes factores:

• El voltaje utilizado para conducir la corriente conmutada a través del FET (v_EN).
• La corriente de drenaje del FET (I_D).
• El tiempo de subida y bajada de la forma de onda de conmutación (t_R Y t_F).
• La frecuencia de conmutación (F_SUDOESTE).

Pérdida de carga de puerta

Todos los MOSFET tienen una capa aislante que evita que la corriente fluya a través del terminal de puerta; esto los distingue de otros tipos de transistores de efecto de campo. Sin embargo, en sentido estricto, este aislamiento sólo bloquea las cosas. Estado de equilibrio actual. Como se muestra en la Figura 3, la puerta aislante de un MOSFET es una estructura capacitiva; Por lo tanto, una corriente transitoria fluye en un circuito controlador de compuerta hasta que el capacitor de compuerta está completamente cargado o descargado.

Figura 3. En este diagrama MOSFET, un voltaje de fuente de puerta aplicado ha creado un canal para el flujo de corriente de fuente de drenaje. Imagen cortesía de Tony R. Kuphaldt

Esto representa otra fuente de pérdida para conmutar MOSFET. El encendido y apagado del FET requiere cambios en el voltaje de la puerta, y la pérdida de energía se produce cuando las corrientes transitorias resultantes fluyen a través de resistencias parásitas.

La fórmula de pérdida de carga de la puerta (PAG_GC) resulta de la ecuación 4.

$$P_{GC}~=~Q_G~\times~V_{GS}~\times~f_{SW}$$

Ecuación 4.

Dónde:

q_GRAMO es el cargo total de puerta requerido por el FET

v_G.S es el voltaje puerta-fuente

F_SUDOESTE es la frecuencia de conmutación.

La ecuación 4 nos lleva a una observación importante. Un MOSFET con requisitos de carga de puerta más altos reduce la eficiencia y, por lo tanto, los diseñadores tienen que hacer un compromiso: un área de puerta más grande contribuye a la reducción. R_{DS(encendido)} y así reducir la pérdida de línea, pero también aumenta un área de puerta más grande q_GRAMO y por lo tanto aumenta la pérdida de carga de la puerta.

Resumen

Los circuitos basados ​​en MOSFET suelen lograr una eficiencia mucho mayor que los circuitos basados ​​en modos de funcionamiento de transistores lineales. Sin embargo, se producen pérdidas por conmutación. La capacidad de estimar estas pérdidas puede ayudarle a optimizar su diseño y evitar fallas térmicas potencialmente graves.