¿Se puede utilizar un MOSFET de potencia para aplicaciones de conmutación como amplificador lineal?

Yo tenía una pregunta similar. A partir de la lectura de notas de aplicación y diapositivas de presentación de empresas como International Rectifier, Zetex, IXYS:

• El truco está en la transferencia de calor. En la región lineal, un MOSFET disipará más calor. Los MOSFET hechos para región lineal están diseñados para tener una mejor transferencia de calor.
• MOSFET para una región lineal podría vivir con una capacitancia de puerta más alta

Nota de la aplicación IXYS IXAN0068 ( versión de artículo de revista )
Nota de la aplicación Fairchild AN-4161

El Efecto Spirito , que es una inestabilidad térmica causada por el hecho de que el voltaje de umbral$V_{TH}$tiene un coeficiente de temperatura negativo, suele ser un problema mayor en los MOSFET nuevos.

A voltajes de sobremarcha altos (sobremarcha$V_{OV}=V_{GS}-V_{TH}$), los MOSFET no tienen inestabilidades térmicas porque la resistencia de su canal tiene un coeficiente de temperatura positivo. Esto provoca un buen intercambio de corriente entre dispositivos. Sin embargo, con sobremarchas bajas, el reparto de corriente es pobre porque el voltaje de umbral$V_{TH}$tiene un tempco negativo. En las circunstancias adecuadas, esto conduce a la inestabilidad térmica.

Los nuevos MOSFET (generalmente optimizados para conmutación, porque ahí es donde está el mercado) tienen corrientes de subumbral mucho más altas ; en otras palabras, a voltajes de sobremarcha bajos, transportan más corriente y disipan más calor. Otra forma de decir esto es: a las corrientes que son prácticas para los amplificadores lineales, incluso a pesar de ejecutar amperios de corriente, los MOSFET más nuevos necesitan muy poca sobremarcha (un régimen que exhibe inestabilidad térmica), a diferencia de sus antepasados ​​que necesitaban mucha sobremarcha (un régimen con gran estabilidad térmica).

Por lo tanto, incluso si los MOSFET más nuevos se colocaran en los mismos paquetes con la misma capacidad de eliminación de calor, aún tendrían SOA (áreas operativas seguras) más pequeñas. Para complicar aún más el asunto, como regla general, la mayoría de las hojas de datos de los transistores no tienen curvas SOA precisas.

Cuando use MOSFET más nuevos, diseñe con márgenes amplios (p. ej., un MOSFET que ve 200 V podría especificarse para 400 V) y no espere que cumplan con las curvas SOA de su hoja de datos a menos que los pruebe.

Sí, puede usar MOSFET de potencia destinados a aplicaciones de conmutación en su región lineal, pero esto no es lo que recomiendo para su propósito.

Cíñete a los BJT para los amplificadores de demostración. La razón es que sus requisitos de polarización son más predecibles en voltaje y, por lo tanto, es más fácil crear circuitos para polarizarlos de manera útil.

Los MOSFET tienen una variación significativa de parte a parte en el voltaje de umbral de puerta, que es el voltaje de puerta en el que un dV pequeño provoca el mayor cambio de salida. Con los FET destinados a la conmutación, es deseable minimizar esta región de transición, pero para la operación lineal le gustaría que se extendiera. Dicho de otra manera, desea algo de "perdón" en el voltaje de la puerta. Cambiar FET puede darle menos. El diseño para sesgar tales FET en su región lineal termina siendo muy pesimista, generalmente con resistencias de fuente más grandes de las que usaría de otra manera, solo para obtener cierta previsibilidad.

Se puede hacer, pero el circuito adicional para establecer el punto de polarización, probablemente con retroalimentación de CC deliberada adicional, restará valor a los otros conceptos del diseño del amplificador, a menos, por supuesto, que eso sea lo que quiera enseñar. Sin embargo, parece que cualquier amplificador ya es una exageración para los estudiantes, por lo que agregar esta complicación puede hacer que todo sea impenetrable para ellos.

Primero, aclaremos la terminología. Idealmente, un transistor de conmutación siempre está en corte o saturación, ya sea bipolar o FET. En la práctica, las transiciones deben pasar por la región lineal. Los FET tienen una complejidad añadida: la región resistiva para valores pequeños de tensión drenaje-fuente. Además, la característica de transferencia bruta de un FET es cuadrática, no lineal. Cuando se cambia, un FET se saturará rápidamente, y si el circuito externo está diseñado correctamente, el voltaje de la fuente de drenaje se deslizará rápidamente hacia abajo a un voltio nominal. En ese punto, estará en la región resistiva, pero también, lo que es más importante, estará saturado. Entonces, por ejemplo, si está descargando 5 amperios, la potencia disipada en el FET será de aproximadamente 5 vatios.

Desea utilizar el transistor en un circuito que está polarizado en la región lineal. Para ser claros, esto es todo sobre el circuito externo. Un bloque de ganancia es un bloque de ganancia. No importa un ápice si se trata de un BJT, un FET, un MOSFET o un amplificador operacional. Lo único que pierde al usar un transistor de conmutación son las especificaciones del fabricante para la ganancia y el cambio de fase con respecto a la frecuencia. Para un interruptor, no le importa, por lo que se lo facilitan al procesar los datos en un parámetro de tiempo de cambio en lugar de parámetros de frecuencia.

Si estuviera tratando de fabricar amplificadores, le importaría, pero solo está demostrando a un grupo de niños verdes, por lo que tampoco le importa la respuesta de frecuencia. Un transistor de conmutación es un bloque de ganancia perfectamente bueno, especialmente para los pocos vatios de salida indicados: ¡puede controlar un altavoz pequeño con un amplificador operacional común por el amor de Dios!

Realmente no necesita preocuparse por la polarización: acople su señal de entrada con un pequeño condensador. Su pequeño amplificador de señal básico de clase A con, digamos, un riel de 30 voltios sería:

1. Un sesgo de ajuste del divisor de voltaje, digamos 200K de riel a puerta y 100k de puerta a tierra. Esto le da 10 voltios inactivos en su nodo de puerta.

2. Acople la entrada al nodo de puerta con un condensador.

3. Coloque una resistencia de fuente a tierra; esto controla su polarización de corriente de drenaje. Utilice, digamos, 0,5k para generar una corriente de drenaje inactiva de 20 mA, que cualquier transistor de potencia soporta fácilmente.

4. Coloque una resistencia de 100 ohmios en serie con su bobina de altavoz nominalmente de 8 ohmios; recuerde, un altavoz responde a cambios en la corriente, no en el voltaje; su bobina crea un campo magnético variable en un campo de polarización.

5. El transistor captará cualquier disipación de energía que no sea transportada por estas otras cargas, como máximo 400 mW.

6. Su pequeña característica de transferencia de señal será:

   $$V_\text{drain} = 30-\frac{v*G*108}{500} = 30-\frac{v*G}{5}$$

donde v es su voltaje de señal pico a pico, G es la transconductancia del transistor y los otros valores son el voltaje del riel y las resistencias de carga. Si quiere ser elegante, trabaje en la inductancia de la bobina del altavoz y verá un círculo en lugar de una línea de carga en el diagrama IV.

Varíe los componentes externos a su gusto. Sencillo y sin tonterías. Asegúrese de enfatizarles a sus hijos la naturaleza irrelevante del bloque de ganancia. Las especificaciones solo importan para el control de calidad de la producción, pero para un truco único, cualquier cosa funciona.