PREPARAORIO 6Tema :

Realizado por:

Alumno (s): XAVIER ALEXANDER SEGURA GUERRERO

Fecha de Entrega: 2007_/_11 /_28_ f. _______________________________ Año mes día Recibido por:__________________________________________________

AGOSTO 07 – MARZO 08

CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (MOSFET)

LABORATORIO DE ELECTRONICA DE POTENCIA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALLaboratorio de Electrónica de Potencia.

Nombre: XAVIER ALEXANDER SEGURA GUERERO

PRACTICA Nº6

TEMA: TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (MOSFET)

1. OBJETIVO1.1. Diseñar el circuito de control para un MOSFET y un IGBT de potencia.1.2. Conocer las características de conmutación de los MOSFETs y los IGBTs.

2. MARCO TEORICO

El MOSFET de potencia (Metal Oxide Semiconductor, Field Effect Transistors) difiere del transistor bipolar de juntura en principios de operación, especificaciones y funcionamiento. Las características de operación de los MOSFETs son superiores a las de los transistores bipolares de juntura: tiempos de conmutación más rápidos, circuito de control simple, no segunda avalancha, posibilidad de colocarse en paralelo, ganancia estable y amplio rango de respuesta de frecuencia y temperatura.

Figura 6.1

En un MOSFET un voltaje positivo aplicado al gate de un MOSFET tipo-N crea un campo eléctrico en la región del canal debajo del gate, la carga eléctrica en el gate provoca la conversión de la región P en una región N, en este momento el elemento deja de ser un elemento PNP y la corriente fluye a través de un cuerpo de semiconductor tipo N. Por esta razón el principio de funcionamiento del MOSFET es completamente distinto al de los TBJ.

El MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje (si bien lo más apropiado es señalar que es un elemento controlado por carga) a través del terminal gate, el que esta eléctricamente aislado del cuerpo de silicio por una delgada capa de dioxido de silicio (SiO2). Por el aislamiento de la compuerta la corriente que ingresa en el gate es pequeña lo que hace que el circuito de control no deba entregar valores considerables de corriente, ventaja importante con respecto al TBJ. Al ser un semiconductor de portadores mayoritarios, el MOSFET opera a mayor velocidad que un transistor bipolar porque no tiene un mecanismo de mantenimiento de carga.

Las regiones de operación del transistor de efecto de campo son la región de corte, región activa y región óhmica (Figura 6.2).

Región de corte (Cutoff): el voltaje gate-source es menor que el voltaje de de umbral VGS(th) , el cual es típicamente unos cuantos voltios en la mayoría de MOSFETs de potencia. El dispositivo puede mantenerse abierto aunque se aplique una fuente de potencia entre sus terminales siempre y cuando este voltaje sea menor que el voltaje de sustentación BVSS.

G

D

S

CANAL N

N

N

P

D

G

S

dioxido desilicio (SiO2)

Región activa: la corriente de drain ID es independiente del voltaje drain-source VDS y depende únicamente del voltaje gate-source VGS, y esta dada por ID = gm[VGS - VGS(th)].

Región ohmica: cuando el valor de voltaje gate-source es considerablemente mayor al voltaje de umbral VGS >> VGS(th) y VDS es igual o menor que VGS - VGS(th), el elemento entra en la región ohmica. En esta región no es válida la dependencia de la corriente ID del voltaje VGS, sino más bien ID está limitada por el circuito dentro del cual se encuentre el MOSFET.

Figura 6.2

El TBJ y el MOSFET tienen características que se complementan entre sí, por ejemplo las pérdidas durante la conducción son menores en el BJT especialmente en dispositivos con alto voltaje de bloqueo, pero tiene tiempos grandes de conmutación sobre todo durante el apagado. Por el contrario el MOSFET puede encenderse o apagarse más rápido, pero sus pérdidas durante la conducción son grandes especialmente para dispositivos de alto voltaje de bloqueo, por lo que una combinación de las características positiva de cada elemento formarían un transistor de buen desempeño, con el objetivo de lograrlo aparece el elemento conocido como IGBT. El IGBT se lo puede considerar como un MOSFET el cual ha sido modificado en su estructura interna Figura 6.3 (b) agregando una capa tipo P bajo el DRAIN, esta modificación tiene como objetivo obtener características entre Drain y Source similares a las de Colector-Emisor del transistor TBJ pero manteniendo las características del MOSFET en el Gate. Es así que el IGBT se caracteriza por tener reducidos tiempos de conmutación, bajas pérdidas durante la conducción y un control por voltaje.

CANAL N

(a) (b)

Figura 6.3

3. EQUIPOS Y MATERIALES3.1 Equipo OsciloscopioFuente variable de 40 V / 1 AFuente variable de 150 V / 15 AResistencia de 100 Ω / 45 W

RegiónOhmica

Región deCorte

Región Activa

BVDSS

I D

VDS

[ V - V = V ]GS GS(th) DS

V GS1

VGS2

VGS3

VGS4

VGS5

VGS5 VGS4

C

E

G

N

N

P

C

G

dioxido desilicio (SiO2)

P

E

Grupo motor generador de DC3.2 MaterialesMOSFETde potenciaIGBTLM555

4. PREPARATORIO 4.1 Diseñar un control PWM en base a un LM555 de 1 KHz con una fuente de 12 V

CONECCTION DIAGRAM

U1

1

DIS7

OUT3

RST4

8

THR6

CON5

TRI2

GND

VCC

LM555CH

R1

R2

C20.01uFC3

VCC

;

; ; Ciclo de trabajo =

; ;

Para el ciclo de trabajo de 0.9Ciclo de trabajo =

Asumo

Sea

Sea

U1

1

DIS7

OUT3

RST4

8

THR6

CON5

TRI2

GND

VCC

LM555CH

R1110kohm

R215kohm

C20.01uFC3

10nF

15VVCC

Forma de onda del PWM

Para que exista variación del ciclo de trabajo se dispone del uso de un potenciómetro para

De la relación se tiene que cuando el

Ciclo de trabajo =

Sea

U1

1

DIS7

OUT3

RST4

8

THR6

CON5

TRI2

GND

VCC

LM555CH

R1110kohm

C20.01uF

C310nF

5VVCC

50%100kOhmKey = a

P

R214.43kohm

Forma de onda del PWM

Este fue el diagrama utilizado para este punto de la práctica, la ventaja de utilizar el LM555 es que éste circuito integrado nos permite implementar directamente y de una manera más sencilla un PWM.

Con las resistencias y manipulamos la frecuencia con la que se quiere trabajar, con los valores implementados se obtuvo una frecuencia de 1250 Hz; el potenciómetro

regula el ancho de pulso, el capacitor produce la oscilación necesaria, la alimentación fue de 15 V, y la salida, es decir, el PWM se lo obtiene a través del pin 3.

4.2 Diseñar los circuitos de la Figura 6.4 si la fuente de potencia a usarse es de 100 V y la resistencia de carga es 100 Ω, realizar el diseño si la carga es un motor de DC el cual consumirá 1 A.

VCC FuentePotencia( )

Carga

VCC FuentePotencia( )

Carga

Figura 6.4DATOS JFET:

Fig. 1.24 Circuito de diseño de un amplificador en drenaje común

BIBLIOGRAFÍA:

COUGHLIN, Robert Amplificadores Operacionales y Circuitos Lineales RASHID M., Electrónica de Potencia, Pretince - Hall. http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cd40106b.pdf Hoja Guía Práctica 3. Laboratorio de Electrónica de Potencia