¿Cuál es la diferencia entre los transistores de efecto de campo (FET) comercializados como interruptores y amplificadores?

Hay varias elecciones que se pueden hacer en el diseño de transistores, con algunas compensaciones que son mejores para aplicaciones de conmutación y otras para aplicaciones "lineales".

Los interruptores están destinados a pasar la mayor parte de su tiempo completamente encendidos o completamente apagados. Por lo tanto, los estados de encendido y apagado son importantes y la curva de respuesta de los estados intermedios no es demasiado relevante.

Para la mayoría de las aplicaciones, la corriente de fuga en estado desactivado de la mayoría de los transistores es lo suficientemente baja como para no importar. Para aplicaciones de conmutación, uno de los parámetros más importantes es qué tan "encendido" está, según lo cuantificado por Rdson en FET y el voltaje y la corriente de saturación en bipolares. Esta es la razón por la cual los FET de conmutación tendrán especificaciones Rdson, no solo para mostrar qué tan buenos son para estar completamente encendidos, sino porque esto también es importante para que los diseñadores del circuito sepan cuánto voltaje caerán y cuánto calor disiparán.

Los transistores utilizados como amplificadores de propósito general operan en la región "lineal". Es posible que no sean tan lineales en sus características, pero este es el nombre que se usa en la industria para indicar el rango intermedio donde el transistor no está ni completamente encendido ni completamente apagado. De hecho, para el uso del amplificador, nunca querrá alcanzar ninguno de los estados límite. Por lo tanto, el Rdson no es tan relevante ya que planeas nunca estar en ese estado. Sin embargo, desea saber cómo reacciona el dispositivo a varias combinaciones de voltaje de compuerta y voltaje de drenaje porque planea usarlo en una amplia gama de ellos.

Hay compensaciones que el diseñador del transistor puede hacer que favorezcan una respuesta más proporcional al voltaje de la puerta frente a la mejor resistencia totalmente efectiva. Esta es la razón por la que algunos transistores se promocionan como interruptores en lugar de para operaciones lineales. Luego, las hojas de datos también se enfocan en las especificaciones más relevantes para el diseñador del circuito para el uso previsto.

Para los MOSFET de potencia, existe una buena regla general que indica que cuanto más nueva es la pieza, mejor está optimizada para las aplicaciones de conmutación. Originalmente, los MOSFET se usaban como elementos de paso en reguladores de voltaje lineales (sin corriente base que degradara las pérdidas sin carga o la eficiencia general) o amplificadores de audio de clase AB. Hoy en día, la fuerza impulsora para el desarrollo de nuevas generaciones de MOSFET es, por supuesto, la ubicuidad de las fuentes de alimentación conmutadas y el avance continuo hacia el control de motores con convertidores de frecuencia. Todo lo que se ha logrado en este sentido es nada menos que espectacular.

Algunas de las características que se mejoraron con cada nueva generación de MOSFET de conmutación:

• Lower R _DS,on : porque minimizar las pérdidas por conducción significa maximizar la eficiencia general.
• Menos capacitancia parásita: porque menos carga alrededor de la puerta ayuda a reducir las pérdidas de conducción y aumenta la velocidad de conmutación; menos tiempo dedicado a las transiciones de conmutación significa menos pérdidas de conmutación.
• Menos tiempo de recuperación inversa del diodo interno; vinculado con una calificación dV/dt más alta: esto también ayuda a reducir las pérdidas de conmutación, y también significa que no puede destruir el MOSFET tan fácilmente cuando lo obliga a apagarse muy, muy rápido.
• Robustez ante avalanchas: en las aplicaciones de conmutación, siempre hay un inductor involucrado. Cortar la corriente a un inductor significa crear grandes picos de voltaje. Si no se ajusta bien o se suelta por completo, los picos serán más altos que la clasificación de voltaje máximo del MOSFET. Una buena calificación de avalancha significa que obtienes una bonificación adicional antes de que ocurra una falla catastrófica.

Sin embargo, hay un inconveniente no tan conocido para las aplicaciones lineales de los MOSFET que se ha vuelto más pronunciado con las nuevas generaciones:

• FBSOA (área de operación segura con polarización directa), es decir, capacidad de manejo de energía en modo de operación lineal.

Es cierto que este es un problema con cualquier tipo de MOSFET, antiguo y nuevo, pero los procesos más antiguos eran un poco más indulgentes. Este es el gráfico que tiene la mayor parte de la información relevante:

Fuente: APEC, IRF

Para un alto voltaje de puerta a fuente, un aumento en la temperatura conducirá a un aumento en la resistencia y una disminución en la corriente de drenaje. Para aplicaciones de conmutación, esto es simplemente perfecto: los MOSFET se conducen a una buena saturación con un alto _VGS . Piense en los MOSFET en paralelo y tenga en cuenta que un solo MOSFET tiene muchos MOSFET pequeños en paralelo en su chip. Cuando uno de estos MOSFET se calienta, tendrá una mayor resistencia y sus vecinos "tomarán" más corriente, lo que conducirá a una buena distribución general sin puntos calientes. Impresionante.

Sin embargo, para un _VGS más bajo que el valor donde se cruzan las dos líneas, denominado cruce de temperatura cero (cf. Nota 1155 de IRF ), un aumento de la temperatura conducirá a una disminución de R _DS,on y a un aumento de la corriente de drenaje. Aquí es donde la fuga térmica llamará a su puerta, contrariamente a la creencia popular de que este es un fenómeno exclusivo de BJT. Se producirán puntos calientes y su MOSFET puede autodestruirse de manera espectacular, llevándose consigo algunos de los hermosos circuitos de su vecindario.

Se rumorea que los dispositivos MOSFET laterales más antiguos tenían mejores características de transferencia en sus MOSFET internos en paralelo en el chip en comparación con los dispositivos de trinchera más nuevos optimizados para las características mencionadas anteriormente importantes para las aplicaciones de conmutación. Esto está respaldado por el documento al que ya me he vinculado , que muestra cómo los dispositivos más nuevos tienen un V _GS aún mayor para el punto de cruce de temperatura cero.

En pocas palabras: hay MOSFET de potencia que son más adecuados para aplicaciones lineales o aplicaciones de conmutación. Dado que las aplicaciones lineales se convirtieron en algo así como una aplicación de nicho, por ejemplo, para sumideros de corriente controlados por voltaje, se necesita precaución adicional con respecto al gráfico para el área de operación segura con polarización directa ( FB-SOA ). Si no contiene una línea para la operación de CC, esta es una pista importante de que es probable que el dispositivo no funcione bien en aplicaciones lineales.

Aquí hay un enlace más a un documento de IRF con un buen resumen de la mayoría de las cosas que he mencionado aquí.