TRANSISTOR MOSFET

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TRANSISTOR MOSFET

Aplicaciones en electrónica de potencia

Inversores

Descripción: Los inversores convierten corriente continua (DC) en corriente alterna (AC). Son usados en aplicaciones de energía solar, UPS, y controladores de motores.

Uso del MOSFET:

• En inversores, el MOSFET actúa como un interruptor de alta frecuencia que alterna la corriente entre diferentes fases para generar una señal AC desde una fuente DC.
• Se emplean comúnmente en inversores de energía fotovoltaica o inversores trifásicos en controladores de motores.

Ventajas del MOSFET: Su capacidad para manejar altas frecuencias y su baja resistencia en estado de conducción (Rds(on)) lo hacen muy eficiente en la conversión de energía, reduciendo pérdidas por calor y mejorando el rendimiento global del sistema.

Fuentes de Alimentación Conmutadas (SMPS)

Descripción: Las SMPS convierten la energía de una fuente de corriente alterna (AC) o corriente continua (DC) en la tensión de salida deseada utilizando conmutación electrónica. Son más eficientes que las fuentes de alimentación lineales.

Uso del MOSFET:

• Los MOSFETs son usados como conmutadores rápidos en las etapas de conversión de potencia.
• Durante el proceso de conmutación, el MOSFET alterna entre los modos ON (saturación) y OFF (corte), minimizando las pérdidas de energía al convertir la corriente.
• Se utiliza tanto en la entrada de potencia como en el control de las tensiones de salida.

Ventajas del MOSFET: Su alta velocidad de conmutación y su capacidad de manejar grandes corrientes lo hacen ideal para aplicaciones en fuentes de alimentación conmutadas.

Convertidores DC-DC

Descripción: Un convertidor DC-DC es un circuito electrónico que convierte un nivel de voltaje de corriente continua (DC) en otro nivel de voltaje DC. Puede ser de tipo buck (reductor), boost (elevador) o buck-boost (ambos).

Uso del MOSFET:

• En los convertidores buck, el MOSFET funciona como un interruptor controlado para regular la energía que fluye desde una fuente de alto voltaje a una carga de bajo voltaje.
• En los convertidores boost, el MOSFET ayuda a elevar el nivel de voltaje, actuando de nuevo como un interruptor en alta frecuencia.
• Su alta eficiencia y velocidad de conmutación lo hacen ideal para estos circuitos.

Ventajas del MOSFET: Gracias a su baja resistencia en estado ON (Rds(on)) y alta velocidad de conmutación, los MOSFETs reducen las pérdidas y aumentan la eficiencia del convertidor.

Características

Ganancia (Transconductancia, gm)

Descripción: La transconductancia es la medida de la capacidad del MOSFET para convertir cambios en el voltaje de la puerta (Vgs) en cambios en la corriente del drenaje (Id). Es el parámetro que describe cuánto aumenta la corriente del drenaje por cada incremento en el voltaje de la puerta.

Importancia:

• Influye en el rendimiento del MOSFET como amplificador. Una alta transconductancia indica que el MOSFET es muy sensible a las variaciones en el voltaje de la puerta.
• Afecta la velocidad de conmutación y la eficiencia en aplicaciones digitales.

Valores típicos: En MOSFETs de canal N, la transconductancia suele estar en el rango de miliSiemens (mS), con valores más altos para dispositivos más eficientes.

Aplicaciones: Un MOSFET con alta ganancia es útil en circuitos de amplificación y en sistemas de alta frecuencia.

Resistencia del Canal (Rds(on))

Descripción: Es la resistencia del MOSFET entre el drenaje y la fuente cuando el dispositivo está completamente encendido (modo de saturación o lineal).

Importancia:

• Determina las pérdidas por conducción en el MOSFET. Una baja Rds(on) implica menores pérdidas de energía y menor generación de calor.
• Cuanto menor es esta resistencia, más eficiente es el MOSFET para aplicaciones de conmutación de alta potencia.

Valores típicos: Rds(on) puede variar desde unos pocos miliOhms (mΩ) en MOSFETs de alta eficiencia, hasta varios ohmios en MOSFETs de baja potencia.

Aplicaciones: MOSFETs con baja Rds(on) se utilizan en aplicaciones de conmutación rápida, como en fuentes de alimentación conmutadas y controladores de motores.

Voltaje de Umbral (Vth)

Descripción: Es el voltaje mínimo que debe aplicarse entre la puerta y la fuente (Vgs) para que el MOSFET comience a conducir corriente entre el drenaje y la fuente.

Importancia:

• Define el punto en el que el dispositivo pasa del modo de corte al modo lineal o de saturación.
• Un voltaje de umbral bajo es ideal para aplicaciones de baja potencia, ya que permite que el MOSFET se active fácilmente.

Valores típicos: Generalmente, los MOSFET de canal N tienen Vth en el rango de 1-4V, mientras que los de canal P tienen un Vth negativo.

Aplicaciones: MOSFETs con Vth bajo son utilizados en electrónica de consumo y dispositivos portátiles.

Funcionamiento

funciona de acuerdo con tres modos de operación principales: Modo de corte, Modo lineal (o de región triodo) y Modo de saturación. Estos modos dependen de las relaciones entre los voltajes de la puerta, el drenaje y la fuente (Vgs, Vds).

Modo de Saturación (o Región Activa)

Condición de operación: Vgs > Vth y Vds ≥ (Vgs - Vth) (El voltaje de puerta a fuente es mayor que el umbral y el voltaje de drenaje a fuente es suficientemente alto).

Descripción:

• El MOSFET sigue encendido, pero la corriente entre el drenaje y la fuente ya no depende de Vds (se satura).
• La corriente Id depende principalmente de Vgs y se mantiene relativamente constante a medida que Vds aumenta.
• El canal de conducción se reduce cerca del drenaje (efecto conocido como pinch-off), pero se mantiene el flujo de corriente.
• Es equivalente a un interruptor cerrado o a un amplificador de corriente.

Uso típico: Es utilizado en aplicaciones de amplificación, ya que la corriente es controlada principalmente por Vgs en esta región, lo que proporciona una operación de ganancia de corriente.

Modo Lineal o Región de Triodo

Condición de operación: Vgs > Vth y Vds < (Vgs - Vth) (El voltaje de puerta a fuente es mayor que el umbral, pero el voltaje de drenaje a fuente es bajo).

Descripción:

• En este modo, el MOSFET está encendido y actúa como una resistencia controlada por el voltaje de la puerta.
• La corriente entre el drenaje y la fuente (Id) crece de manera lineal conforme aumenta Vds.
• El canal está completamente formado y hay una corriente sustancial entre drenaje y fuente.
• Relación corriente-voltaje: En esta región, la corriente depende tanto de Vgs como de Vds, y el MOSFET actúa de manera similar a una resistencia.

Uso típico: Este modo es común en aplicaciones de conmutación y amplificación donde se requiere un control preciso de la corriente.

Modo de Corte (OFF)

Condición de operación: Vgs < Vth (Voltaje de puerta a fuente es menor que el umbral de encendido del MOSFET).

Descripción:

• En este modo, el MOSFET está apagado y no permite el paso de corriente entre el drenaje y la fuente (Id ≈ 0).
• El canal no se forma porque el voltaje aplicado a la puerta no es suficiente para crear una región conductiva entre el drenaje y la fuente.
• Es equivalente a un interruptor abierto.

Uso típico: Este modo es utilizado cuando se quiere que el dispositivo esté en reposo o apagado.

Tipos de MOSFET

MOSFET de Canal N

Descripción: En este tipo, la corriente fluye a través de un canal compuesto por electrones (portadores de carga negativa).

Características: Tienen una mayor movilidad electrónica que los MOSFET de canal P, lo que les permite tener una mayor velocidad de conmutación y menor resistencia en estado de conducción.

Aplicaciones: Son más eficientes en términos de rendimiento, por lo que son más comunes en circuitos de conmutación de alta velocidad y aplicaciones de potencia.

MOSFET de Canal P

Descripción: Aquí, el canal está compuesto por huecos (portadores de carga positiva).

Características: Generalmente, tienen una menor movilidad que los MOSFET de canal N, lo que resulta en una mayor resistencia de conducción y una velocidad de conmutación menor.

Aplicaciones: Se utilizan en circuitos donde es necesario controlar la carga positiva, aunque suelen ser menos eficientes que los de canal N.