El MOSFET como interruptor: umbral, regiones de funcionamiento y Rds(on)

Cómo funciona un MOSFET de enriquecimiento de canal N

Un MOSFET tiene tres terminales: puerta, drenador y fuente. La puerta está aislada del silicio por una fina capa de óxido, así que en régimen estacionario no toma prácticamente corriente; solo tiene que cargar y descargar su capacidad. En un dispositivo de enriquecimiento de canal N el sustrato es de tipo p y la fuente y el drenador son de tipo n. Sin tensión en la puerta no puede circular corriente, porque las dos regiones n están separadas por una región p.

Una tensión positiva en la puerta atrae electrones a la superficie bajo el óxido. Por encima de la tensión umbral V_th se acumulan los suficientes para formar un canal de tipo n que conecta fuente y drenador, y puede circular una corriente I_D cuando V_DS es positiva. Cuanto mayor es V_GS − V_th, llamada tensión de sobreexcitación, más fuerte es el canal y mayor la corriente. Por eso se llama dispositivo de enriquecimiento: el canal lo crea, o lo enriquece, la tensión de puerta, y sin ella el transistor está apagado.

Regiones de corte, lineal y de saturación

Sea V_ov = V_GS − V_th. El comportamiento se divide en tres regiones.

• Corte, V_GS ≤ V_th: no hay canal, I_D ≈ 0. El interruptor está abierto.
• Región lineal (óhmica), V_GS > V_th y V_DS < V_ov: el canal llega hasta el drenador y actúa como una resistencia controlada por tensión.
• Saturación, V_GS > V_th y V_DS ≥ V_ov: el canal se estrangula cerca del extremo del drenador y la corriente la fija la puerta, no V_DS.

El modelo de ley cuadrática da la corriente de drenador con un factor de conducción k (en A/V²):

Lineal: I_D = k × (V_ov × V_DS − V_DS² / 2)

Saturación: I_D = ½ × k × V_ov²

Ambas coinciden en V_DS = V_ov. La transconductancia, g_m = dI_D / dV_GS, es k × V_ov en saturación y k × V_DS en la región lineal. Las hojas de datos reales usan un factor similar, pero la ley cuadrática es una aproximación, sobre todo en MOSFET de potencia con corriente alta.

Uso del MOSFET como interruptor: Rds(on)

Para V_DS pequeña, la ecuación lineal se reduce a una recta que pasa por el origen, I_D ≈ k × V_ov × V_DS. El camino drenador-fuente se comporta como una resistencia

R_DS(on) ≈ 1 / (k × V_ov)

de modo que una excitación de puerta más fuerte (una V_ov mayor) reduce la resistencia. Las hojas de datos dan R_DS(on) con una tensión de puerta indicada, desde miliohmios en los componentes de potencia hasta unos pocos ohmios en los de pequeña señal. La potencia perdida en el estado de conducción es la pérdida por conducción:

P = I_D² × R_DS(on)

En saturación la disipación es P = I_D × V_DS con una V_DS grande, que es mucho mayor. Por tanto, un MOSFET usado como interruptor debe excitarse para que pase con rapidez entre el corte y la región lineal profunda. Un MOSFET también puede hacerse funcionar deliberadamente en saturación como amplificador o regulador lineal, pero entonces necesita un disipador.

Un MOSFET de nivel lógico tiene un umbral bajo (de aproximadamente 1 a 2,5 V) y un R_DS(on) especificado con V_GS = 4,5 V o incluso 2,5 V, de modo que puede excitarse directamente desde un microcontrolador de 3,3 V o 5 V. Un MOSFET estándar necesita 10 V en la puerta para alcanzar su R_DS(on) indicado, y se usa un excitador de puerta.

Conmutación en el lado bajo y cargas inductivas

La disposición habitual de un MOSFET de canal N es el interruptor en el lado bajo: la carga está entre la alimentación positiva y el drenador, y la fuente va a masa. La puerta se excita respecto a masa, lo que es fácil desde una salida lógica. Una resistencia de pull-down de 10 kΩ a 100 kΩ entre puerta y masa mantiene el dispositivo apagado mientras el pin del microcontrolador aún está flotante. Una pequeña resistencia en serie con la puerta limita la corriente de carga y amortigua las oscilaciones.

Los relés, solenoides, motores y otras cargas inductivas requieren un cuidado adicional. Cuando el MOSFET se apaga, la corriente de la inductancia no puede detenerse al instante, así que la tensión en la bobina se invierte y la tensión del drenador sube muy por encima de la alimentación, lo que puede destruir el transistor. Un diodo de libre circulación (flyback) conectado en paralelo con la carga, con su cátodo hacia la alimentación positiva, ofrece un camino a la corriente y recorta el pico. Muchos MOSFET de potencia contienen además un diodo parásito entre fuente y drenador, pero no protege contra un pico inductivo en el drenador de un interruptor de lado bajo, así que hace falta un diodo externo.

Un ejemplo resuelto

Un solenoide de 12 V y 5 A se conmuta con un MOSFET de nivel lógico con R_DS(on) = 0,05 Ω a V_GS = 5 V.

1. Estado encendido: V_DS = 5 × 0,05 = 0,25 V, así que la carga recibe 11,75 V. 2. Pérdida por conducción: P = I² × R = 25 × 0,05 = 1,25 W. Es modesta: un encapsulado TO-220 al aire libre suele poder disipar más o menos esto, aunque se calentará. 3. Estado apagado: I_D ≈ 0, así que la disipación es casi nula.

Supongamos ahora que una excitación de puerta débil deja el transistor solo parcialmente encendido, de modo que caen 6 V en él mientras circulan los mismos 5 A. Entonces P = 5 × 6 = 30 W. Esto sobrecalentaría el componente en segundos. La lección es que la tensión de puerta importa tanto como la corriente nominal cuando el transistor se usa como interruptor.

Las pérdidas de conmutación se suman a esto: cada transición atraviesa durante un breve tiempo la región de alta disipación, así que la potencia media aumenta con la frecuencia de conmutación, y por eso los excitadores buscan flancos rápidos.

Cómo modela el simulador el MOSFET

El simulador de MOSFET de canal N de Curvo Studio usa el modelo de ley cuadrática de canal largo descrito arriba, con la corriente de puerta tomada como cero. Las tres regiones se deciden a partir de V_GS, V_th y V_DS, la corriente de drenador la da la ecuación lineal o la de saturación, y se recorta a una corriente de drenador máxima que usted fija. La lectura Disipación de energía es I_D × V_DS, y la lectura Transconductancia es k × V_ov en saturación y k × V_DS en la región lineal.

Conviene saber qué no está en el modelo. En el circuito no hay resistencia de carga, alimentación ni excitador de puerta: V_GS y V_DS se fijan directamente, así que no hay recta de carga. No hay parámetro R_DS(on), diodo parásito, diodo de libre circulación, capacidades ni transitorios de conmutación. R_DS(on) puede hallarse dividiendo V_DS entre I_D en la región lineal.

El dispositivo predeterminado tiene V_th = 2 V, un factor de conducción de 1,2 A/V² y una corriente de drenador máxima de 20 A. Con V_GS = 4 V y V_DS = 6 V está en saturación con I_D = ½ × 1,2 × 2² = 2,4 A, que disipa 14,4 W.

Pruébelo en el simulador del MOSFET

Abra el simulador del MOSFET de canal N y pruebe lo siguiente.

• Ponga la Tensión puerta-fuente por debajo del Voltaje umbral, por ejemplo 1,5 V con el umbral predeterminado de 2 V. La Región operativa indica Cierre (corte) y la corriente de drenador (Drenar corriente) es 0.
• Vuelva a V_GS = 4 V, V_DS = 6 V. La Región operativa indica Saturación, I_D = 2,4 A y la Disipación de energía es 14,4 W.
• Baje ahora el Voltaje de fuente de drenaje (V_DS) a 1 V. La región pasa a Lineal, I_D = 1,8 A y la disipación es 1,8 W.
• Suba V_GS a 10 V y ponga V_DS en 0,5 V. I_D sube a unos 4,65 A, y V_DS / I_D es de unos 0,11 Ω, cerca de 1 / (k × V_ov) = 0,10 Ω de la fórmula. La disipación es solo de unos 2,3 W para una corriente casi el doble de grande, que es el objetivo de un interruptor.
• Cambie el Factor de conducción y el Voltaje umbral (ambos son valores de placa) para ver cómo un dispositivo distinto desplaza las curvas.

La gráfica Características de salida · ID–VDS (I_D frente a V_DS con V_GS de 2, 3, 4, 5, 6 y 8 V) muestra la región lineal ascendente y la meseta de saturación, y la gráfica Característica de transferencia · ID–VGS (I_D frente a V_GS) muestra la ley cuadrática por encima del umbral. La sección 3D muestra cómo se forma el canal y, en saturación, cómo se estrecha hacia el drenador (estrangulamiento).

Pruébalo en el simulador