MOSFETs en Profundidad

El Transistor de Efecto de Campo Metal-Oxido-Semiconductor (MOSFET) es un interruptor controlado por voltaje que ha revolucionado la electronica de potencia. A diferencia de los BJT que requieren corriente continua de base, los MOSFET se controlan mediante voltaje en el terminal de puerta, consumiendo esencialmente cero corriente DC. Esto los hace ideales para la interfaz con microcontroladores, la conversion de energia de alta eficiencia y la conmutacion de alta frecuencia.

Objectives

• Comprender la estructura, operacion y el papel del oxido de puerta en los MOSFETs
• Distinguir entre modo de enriquecimiento y empobrecimiento, canal N y canal P
• Leer e interpretar hojas de datos de MOSFETs (Vth, RDS(on), carga de puerta)
• Disenar circuitos de excitacion de puerta para MOSFETs de nivel logico y estandar
• Comprender las capacitancias parasitas y su efecto en la velocidad de conmutacion
• Calcular perdidas de conmutacion y requisitos termicos
• Disenar circuitos de conmutacion del lado alto y del lado bajo
• Implementar excitacion de puerta adecuada para MOSFETs de canal P
• Usar drivers de puerta para aplicaciones de alta velocidad y lado alto
• Seleccionar MOSFETs apropiados para aplicaciones especificas
• Recuperar y probar MOSFETs de forma segura

Key Takeaways

• Los MOSFETs son controlados por voltaje: Vgs > Vth los ENCIENDE
• Los MOSFETs de nivel logico pueden ser excitados directamente por microcontroladores de 3.3V/5V
• Los MOSFETs estandar necesitan excitacion de puerta de 10V+ (usar CIs de excitacion de puerta)
• RDS(on) determina la perdida por conduccion: P = I² × RDS(on)
• La carga de puerta determina la velocidad de conmutacion y la potencia de excitacion de puerta
• Canal N para el lado bajo; canal P para conmutacion del lado alto
• Canal N en el lado alto requiere bootstrap o bomba de carga
• Siempre usar diodos de proteccion con cargas inductivas
• Manipular los MOSFETs como dispositivos sensibles a ESD
• El coeficiente de temperatura positivo hace que la conexion en paralelo sea segura

Applications

• Driver de LED/Motor del Lado Bajo: Canal N conmuta la carga a tierra
• Interruptor del Lado Alto con Canal P: Canal P con convertidor de nivel controla el lado positivo
• Control de Velocidad de Motor por PWM: Conmutacion rapida con proteccion contra retorno
• Control de Motor con Puente H: Cuatro MOSFETs para control bidireccional
• Rectificacion Sincrona: MOSFETs reemplazan diodos para mayor eficiencia
• Convertidores Buck/Boost: Conversion de energia en modo conmutado
• Carga Electronica: MOSFET en region lineal para corriente constante

Practice Problems

Problem 1: Un MOSFET con RDS(on)=15mΩ conmuta 8A con un ciclo de trabajo del 50%. Calcula la perdida por conduccion.

Problem 2: Un MOSFET tiene Qg=70nC y conmuta a 200kHz con Vgs=10V. Calcula la potencia de excitacion de puerta.

Problem 3: Selecciona un disipador de calor para 5W de disipacion. Tj(max)=150°C, Ta=50°C, θjc=0.6°C/W, θcs=0.4°C/W.