Capacidades Parásitas y Proceso de Conmutación en MOSFET de Potencia

Capacidades Parásitas en MOSFET de Potencia

Entre cada uno de los terminales de un MOSFET de potencia existe cierta capacidad, ya que se trata de semiconductores con diferente carga eléctrica separados cierta distancia. Estas capacidades parásitas deberán ser cargadas o descargadas durante la conmutación del MOSFET. El proceso de conmutación puede ser lento, ya que el Driver presenta una limitación de corriente de puerta (i_GATE) limitada por R_GATE. La duración del proceso de conmutación dependerá, en gran medida, del valor capacitivo de las capacidades parásitas interelectródicas y de la corriente gestionada por el Driver.

Si bien la capacidad C_GS puede considerarse constante, no sucede lo mismo con el resto de las capacidades C_GD y C_DS, las cuales son mayores a mayor tamaño y corriente de chip.

Capacidad de Miller (C_RSS)

También se la identifica como "capacidad de transferencia". Es la que mayor influencia tiene en la dV/dt durante los procesos de conmutación. El proceso de conmutación depende en gran medida de la capacidad C_GD y su variación con respecto de V_DS.

• A valores elevados de V_DS, cuando el MOSFET está en estado de bloqueo (OFF), la capacidad C_GD es baja.
• Esta aumenta cuando, durante el encendido (ON), la tensión V_DS cae a valores mínimos.

Cuando el MOSFET está en OFF y bloquea una tensión V_DS, la distancia entre las cargas negativas del Gate y las cargas positivas en el Drenador es muy grande (por lo tanto, bajo valor de C_GD). Cuando el MOSFET ya está siendo atravesado por una corriente de electrones, la distancia entre las cargas positivas del Gate y los electrones libres que ya circulan a través del Drenador es muy pequeña, solo la anchura de la capa de óxido metálico (por lo tanto, alto valor de C_GD).

Proceso de Encendido (ON) de un MOSFET

• La tensión de disparo del Driver (V_GG) presenta una forma de escalón.
• La tensión de puerta del MOSFET (V_GS) comienza a aumentar de forma exponencial, ya que el Driver inserta corriente de carga, a través de R_G, a las capacidades C_GS y C_GD.
• El tiempo transcurrido entre la aplicación de V_GG y alcanzar el V_th en V_GS es el t_d(on).
• Cuando la tensión V_GS supera a V_TH, empieza a circular corriente por el drenador hacia surtidor (I_DS).
• Tras alcanzar V_GS a V_TH, existe un tiempo de retardo (t_ri) requerido para que el switch entre de lleno en conducción, donde la carga impone el valor de I_DS.
• Tras llegar la corriente a la que impone la carga, la tensión V_DS cae abruptamente. Esto provoca una realimentación de corriente vía C_GD hacia puerta. Este mecanismo de realimentación se denomina Efecto Miller y se manifiesta como un incremento efectivo de C_GD, que provoca un lento crecimiento de la tensión V_GS.

En los MOSFET, los tiempos de conmutación no dependen de la temperatura del dispositivo. Se requerirá que el Driver cargue/descargue la carga de puerta, la cual depende de la tensión V_GS aplicada y de la corriente I_DS.

Carga de Puerta y Efecto Miller

La carga de la capacidad Q_GS comienza una vez la tensión V_GS es superior a 0V hasta la Tensión de Miller (V_MILLER), intervalo t2-t1. La capacidad Q_GD comienza a cargarse desde la puerta en el intervalo t3-t2, donde se produce el "Efecto Miller". La carga de puerta (Q_GS + Q_GD) correspondiente al tiempo t3 es la carga mínima necesaria para encender el dispositivo.

Las buenas prácticas de diseño de circuitos dictan el uso de un voltaje de puerta más alto que el mínimo requerido para la conmutación y, por lo tanto, la carga de puerta utilizada en los cálculos es Q_G correspondiente a t4.