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Reglas básicas de selección de MOSFETs / comprobaciones

La tensión máxima de drenaje a fuente (Vds máx.) determina la tensión máxima que puede conmutar.

El voltaje de umbral de la puerta determina la diferencia de voltaje que necesita aplicar a la puerta para hacer que el mosfet conduzca.

La tensión máxima de la puerta a la fuente (Vgs máx.) es un factor crítico que no debe superarse (ni siquiera por unos pocos nS) o el MOSFET puede destruirse. ¿Se producirán picos en los raíles de alimentación? Si es así, proporcione algún tipo de protección (por ejemplo, un supresor de transitorios) o seleccione un dispositivo de mayor capacidad. Cuando se conmutan carriles de alto voltaje (por ejemplo, 24V de la lógica de bajo voltaje a menudo se puede cumplir este requisito utilizando un divisor de potencial para proporcionar el mosfet con una tensión de puerta por encima de 0V.

¿Es necesario utilizar un IC controlador de mosfet? Si el mosfet tiene una alta corriente de conmutación de puerta (por ejemplo, MOSFETs de alta corriente) o será conmutado rápidamente (para asegurar que el mosfet funciona eficientemente con una disipación de energía mínima) entonces esto puede ser necesario.

Consulte las notas de ‘Por qué fallan los MOSFETs’ más abajo

Notas generales

Los MOSFETs mejorados cuando están encendidos permiten la corriente en cualquier dirección con un RDSON esencialmente idéntico. Cuando están apagados bloquean la corriente en una dirección.

Debido a su alta impedancia de entrada, los MOSFET son vulnerables a daños por descargas electrostáticas. A veces tienen diodos de protección integrados o zeners.

Los mosfets de modo mejorado incorporan un diodo entre los pines de fuente y drenaje.
Un mosfet doblemente mejorado incorpora dos diodos cátodo a cátodo.

Un MOSFET sólo requiere corriente de puerta durante el flanco de conmutación, para cargar la capacitancia GS. Esta corriente de puerta puede ser alta.

Para conmutar a 0V

Utilice un MOSFET de canal N con la fuente conectada a 0V (directamente o a través de una resistencia limitadora de corriente) y la carga conectada al drenaje.

Siempre que la tensión de la puerta supere la tensión de la fuente en al menos la tensión de umbral de la puerta, el MOSFET conducirá. Cuanto mayor sea la tensión, más puede conducir el Mosfet.

Los mosfets de canal N tienen menores resistencias de encendido que los de canal P, por lo que son preferibles si se puede elegir qué lado conmutar.

Los MOSFETs de canal N también pueden conmutar +V en ciertas configuraciones, siendo el drenaje Vin y la fuente Vout conmutada.

Para conmutar +V con un MOSFET de canal P

Utilice un MOSFET de canal P con la fuente conectada a +V (directamente o mediante una resistencia limitadora de corriente) y la carga conectada al drenaje.

Por lo general, el pin de la Fuente debe ser más positivo que el Drenaje (sin embargo, esto no es cierto cuando se utiliza un Mosfet P para proporcionar protección contra la polaridad inversa, por ejemplo).

Cuando la tensión de puerta es inferior a la (tensión de fuente – tensión de umbral de puerta) el MOSFET conduce. Si la tensión de puerta es mayor que ésta, no conduce. Cuanto mayor sea la diferencia de tensión respecto a la Fuente, más puede conducir el MOSFET.

Los mosfets de canal P tienen resistencias de encendido más altas que los de canal N, por lo que suelen ser menos preferibles.

El MOSFET de canal P tiene una ventaja sobre el MOSFET de canal N para algunas aplicaciones debido a la simplicidad del control de encendido y apagado. Un mosfet de canal N que conmuta a +V requiere un raíl de tensión adicional para la puerta; el de canal P no.

Para conmutar +V con un MOSFET de canal N

Utilice un MOSFET de canal N con el drenaje conectado a +V y la carga conectada a la fuente.

Sin embargo, hay una trampa con este arreglo – el mosfet se enciende basado en el umbral Vgs que se alcanza y el voltaje de la fuente en este arreglo cambia entre apagado (0V) y encendido (Vin). Esto significa que no se puede cambiar la puerta a Vin, se necesita un carril de tensión diferente que es mayor que Vin por lo menos el umbral Vgs mosfets, y también no exceder la especificación máxima Vgs.

Resistencia de puerta

El uso de una resistencia de bajo valor entre el conductor del MOSFET y el terminal de puerta del MOSFET amortigua cualquier oscilación de timbre causada por la inductancia del conductor y la capacitancia de la puerta que de otro modo puede exceder el voltaje máximo permitido en el terminal de puerta. También ralentiza la velocidad de encendido y apagado del MOSFET. Esto puede ser útil si los diodos intrínsecos del MOSFET no se encienden lo suficientemente rápido.

Si usted está conduciendo un MOSFET desde una línea de rebote, posiblemente ruidosa (por ejemplo, contactos de relé), debe utilizar una pequeña resistencia de puerta en serie cerca del MOSFET, para suprimir la oscilación de VHF. 22 ohmios es suficiente, puedes usar menos.

Si la velocidad / retardo de propagación es crítico, puede que tenga que tratar de evitar el uso de una resistencia de puerta o mantener su valor bajo. Por ejemplo, con una señal de 5V y un FDN335N, una resistencia de puerta de 1K puede añadir alrededor de 200-400nS de retardo de propagación (retraso en la conmutación de la puerta al drenaje).

En el caso de los MOSFETs de alta corriente, la capacitancia del canal de puerta puede ser muy alta y un cambio rápido de la tensión de drenaje puede producir miliamperios de corriente de puerta transitoria. Esto podría ser suficiente para sobrecargar e incluso dañar los delicados chips conductores CMOS. Tener una resistencia en serie es un compromiso entre la velocidad y la protección, siendo típicos los valores de 100R a 10K. Incluso sin cargas inductivas existe una corriente de puerta dinámica. Además, los MOSFETs son extremadamente susceptibles a los daños causados por las descargas electrostáticas y pueden ser dañados irreversiblemente por un solo caso de rotura de puerta. Por esta razón, es una muy buena idea utilizar resistencias de puerta en serie de 1K a 10K. Esto es especialmente importante si la señal de la puerta proviene de otra placa de circuito.

Si un MOSFET puede dejarse flotando, utilice una resistencia pull down (de 100K a 1M suele estar bien) de Puerta a Fuente.

Controladores de puerta

Los circuitos integrados controladores se utilizan a menudo para MOSFETs de alta corriente y cuando se utilizan velocidades de conmutación rápidas debido a que el MOSFET necesita corrientes breves pero altas para cambiar de estado. Las entradas de los drivers suelen ser de nivel lógico. A menudo los MOSFETs requieren un accionamiento de 1 – 2A para conseguir una conmutación eficiente a frecuencias de cientos de kilohercios. Este accionamiento es necesario en forma de pulsos para cargar y descargar rápidamente las capacitancias de la puerta del MOSFET.

MOSFETs en paralelo

Los MOSFETs pueden colocarse en paralelo para mejorar la capacidad de manejo de corriente. Basta con unir los terminales de puerta, fuente y drenaje. Se puede poner en paralelo cualquier número de MOSFETs, pero tenga en cuenta que la capacitancia de la puerta aumenta a medida que se ponen en paralelo más MOSFETs, y eventualmente el controlador del MOSFET no será capaz de manejarlos.

Uso de Mosfets de canal N para conmutar tensiones positivas

¡Sí se puede! Siempre y cuando se cumpla la especificación Vgs un canal N normalmente se encenderá y permitirá que la corriente fluya de la Fuente al Drenaje (Fuente más positiva que el Drenaje). El diodo del cuerpo dejará que la corriente fluya de todos modos, pero encender el mosfet permite que fluya completamente.

Usando el diodo de cuerpo

Puedes usar el diodo de cuerpo para permitir que la corriente pase a través de un mosfet, pero tienes que tener cuidado y saber lo que estás haciendo para asegurarte de que el mosfet no se dañe al hacerlo.

Interruptor verdadero de mosfet / Interruptor bidireccional con MOSFETs de canal P

Usando esta disposición de mosfets de canal P espalda con espalda, cuando está encendido la corriente fluye en cualquier dirección. Cuando está apagado, ambos lados están aislados. Puede utilizar cualquier mosfet de canal P típico.

El interruptor del transistor es necesario porque las puertas necesitan ser conmutadas por una salida de drenaje abierto para evitar que haya un Vgs lo suficientemente grande de la señal de encendido y apagado en relación con los rieles de potencia conectados a los drenajes que se conmutan . El transistor podría perderse de un IC de drenaje abierto que puede tolerar los voltajes de drenaje cuando está apagado se utiliza para proporcionar la señal.

Tenga en cuenta que esta disposición sólo es adecuada si la tensión que se conmuta es > Vgs umbral de conmutación del mosfet utilizado.

Cuando esto no se puede garantizar o cuando se necesita un aislamiento óptico, los relés de estado sólido de foto mosfet son una gran solución. Ejemplos:

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V nominal. Puede conmutar tensiones bajas como +3V3 sin ninguna caída de tensión que no sea la causada por su resistencia de estado (es decir, sin la caída de tensión de usar un optoaislador de salida de transistor).

Interruptor verdadero de Mosfet / Interruptor bidireccional con MOSFETs de canal N

Un ejemplo:

Por qué fallan los MOSFETs

Insuficiente accionamiento de la puerta

Los dispositivos MOSFET sólo son capaces de conmutar grandes cantidades de potencia porque están diseñados para disipar una potencia mínima cuando se encienden. Debe asegurarse de que el MOSFET se encienda completamente para minimizar la disipación durante la conducción. Si el dispositivo no está totalmente encendido, el dispositivo tendrá una alta resistencia durante la conducción y disipará una potencia considerable en forma de calor.

Sobretensión

Exceda la tensión nominal de un MOSFET por unos pocos nS y puede destruirlo. Seleccione los dispositivos MOSFET de forma conservadora para los niveles de tensión previstos y asegúrese de que permite o se ocupa de suprimir cualquier pico de tensión o timbre.

Sobrecarga de corriente de pico

Las corrientes de sobrecarga de corta duración pueden causar daños progresivos en un MOSFET, a menudo con un aumento de temperatura poco perceptible antes del fallo. Los MOSFETs a menudo citan un alto valor de corriente de pico, pero estos son típicamente sólo para corrientes de pico de unos pocos 100 uS. Si se conmuta una carga inductiva, asegúrese de sobredimensionar el MOSFET para manejar las corrientes de pico.

Sobrecarga de corriente prolongada

Si un MOSFET está pasando una corriente alta entonces su resistencia de estado activado hará que se caliente. Si el disipador de calor es pobre, el MOSFET puede ser destruido por una temperatura excesiva. Una solución a esto puede ser poner en paralelo múltiples MOSFETs para compartir las altas corrientes de carga entre ellos.

Configuración en H o en puente completo Disparo/conducción cruzada

Cuando se utilizan MOSFETs P y N entre raíles de tensión para proporcionar una tensión de salida H o L, si las señales de control de los MOSFETs se solapan, provocarán un cortocircuito en la alimentación, lo que se conoce como condición de disparo. Cuando ocurre, los condensadores de desacoplamiento de la alimentación se descargan rápidamente a través de ambos dispositivos cada vez que se produce una transición de conmutación, lo que da lugar a pulsos de corriente muy cortos pero grandes.

Para evitar esto debe permitirse un tiempo muerto entre las transiciones de conmutación, durante el cual ninguno de los MOSFET se enciende.

Sin camino de corriente libre

Cuando se conmutan cargas inductivas debe haber un camino para que el EMF de retorno se desplace libremente cuando el MOSFET se apaga. Los MOSFET de modo de mejora incorporan un diodo que proporciona esta protección.

Lenta recuperación inversa del diodo del cuerpo del MOSFET

Los circuitos resonantes de alto Q son capaces de almacenar una energía considerable en su inductancia y autocapacidad. Bajo ciertas condiciones de sintonía, esto hace que la corriente «ruede libremente» a través de los diodos de cuerpo interno de los dispositivos MOSFET cuando un MOSFET se apaga y el otro dispositivo se enciende. El problema surge debido al lento apagado (o recuperación inversa) del diodo de cuerpo interno cuando el MOSFET opuesto intenta encenderse. Los diodos de cuerpo del MOSFET suelen tener un tiempo de recuperación inversa largo en comparación con el rendimiento del propio MOSFET. Si el diodo de cuerpo de un MOSFET está conduciendo cuando el dispositivo opuesto se enciende, entonces se produce un «cortocircuito» similar a la condición de disparo descrita anteriormente. Este problema se puede resolver añadiendo un diodo Schottky conectado en serie con la fuente del MOSFET (que evita que el diodo del cuerpo del MOSFET sea polarizado hacia delante por la corriente libre) y un diodo de alta velocidad (de rápida recuperación) conectado en paralelo al par MOSFET/Schottky para que la corriente libre pase por alto el MOSFET y el Schottky completamente. Esto asegura que el diodo del cuerpo del MOSFET nunca sea conducido. La corriente de rueda libre es manejada por los diodos de recuperación rápida que presentan menos de un problema de disparo.

Exceso de accionamiento de la puerta

Si la puerta del MOSFET se acciona con un voltaje demasiado alto, el aislamiento de óxido de la puerta puede perforarse y destruir el MOSFET. Asegúrese de que la señal de accionamiento de la puerta esté libre de picos de tensión estrechos que puedan superar la tensión de puerta máxima permitida.

Transiciones de conmutación lentas

Se disipa poca energía durante los estados estables de encendido y apagado, pero se disipa una energía considerable durante los tiempos de una transición. Por lo tanto, es deseable pasar de un estado a otro lo más rápidamente posible para minimizar la disipación de energía durante la conmutación. Dado que la puerta del MOSFET es capacitiva, se necesitan pulsos de corriente considerables para cargar y descargar la puerta en unas decenas de nanosegundos. Los picos de corriente en la puerta pueden ser de hasta un amperio.

Oscilación espuria

Las entradas de los MOSFET son de impedancia relativamente alta, lo que puede provocar problemas de estabilidad. En determinadas condiciones, los dispositivos MOSFET de alta tensión pueden oscilar a frecuencias muy altas debido a la inductancia y la capacitancia parásitas del circuito circundante. (Las frecuencias suelen estar en los bajos MHz.) También debe utilizarse un circuito de accionamiento de puerta de baja impedancia para evitar que las señales parásitas se acoplen a la puerta del dispositivo.

Interferencias conducidas con el controlador

La conmutación rápida de grandes corrientes puede causar caídas de tensión y picos transitorios en los carriles de la fuente de alimentación que pueden interferir con el circuito de control. Deben utilizarse buenas técnicas de desacoplamiento y conexión a tierra en estrella.

Daños por electricidad estática

Los MOSFET son muy sensibles a la estática. Deben tomarse precauciones de manipulación antiestática para evitar daños en el óxido de la puerta.