Contenido

• Parámetros básicos del MOSFET
• Influencia mutua de los parámetros clave
• Efectos físicos avanzados
• Dependencias con la temperatura
• Interacción con el controlador (driver)
• Selección de la topología del circuito
• Nuevos materiales (SiC, GaN)
• Depuración práctica
• Algoritmo de selección

Parámetros básicos del MOSFET

Parámetros estáticos

• Rds(on) - resistencia del canal cuando está encendido. Principal fuente de pérdidas estáticas: P_pérdida = I² × Rds(on)
• Vgs(th) - voltaje umbral de la puerta. Voltaje mínimo para encender el transistor.
• Id(max) - corriente máxima continua del drenador.
• Vds(max) - voltaje máximo drenador-fuente.
• Tj(max) - temperatura máxima de la unión (junction).
• SOA - Área de Operación Segura (combinación de corriente, voltaje y tiempo).

Parámetros dinámicos

• Qg - carga total de la puerta. Determina la energía necesaria para conmutar.
• Ciss, Coss, Crss - capacitancias de entrada, salida y de transferencia inversa.
• td(on), tr, td(off), tf - tiempos de retardo y de los flancos de los pulsos. Determinan la velocidad de conmutación.
• Qrr - carga de recuperación inversa del diodo parásito (importante en topologías con carga inductiva, como puentes).
• Eoss - energía almacenada en la capacitancia de salida.

Influencia mutua de los parámetros clave

1. Rds(on) vs. Qg (y Ciss) (El principal compromiso)

Reducir Rds(on) requiere aumentar el área del chip o la densidad de celdas, lo que aumenta la capacitancia de puerta Ciss y la carga Qg.

Consecuencia: Un transistor con Rds(on) bajo tiene Qg alto, lo que aumenta las pérdidas dinámicas a alta frecuencia y requiere un controlador potente.

Conclusión: Elegir entre pérdidas estáticas bajas (Rds(on)) y pérdidas dinámicas bajas (Qg).

2. Vds(max) vs. Rds(on)

Aumentar el voltaje de trabajo requiere una capa epiaxial de chip más gruesa y de mayor resistencia, lo que aumenta Rds(on).

Consecuencia: Un MOSFET de 600 V tiene un Rds(on) órdenes de magnitud mayor que uno de 60 V con la misma área de chip.

Conclusión: Los transistores de mayor voltaje son menos eficientes en conducción, todo lo demás siendo igual.

3. Velocidad de conmutación vs. Estabilidad e interferencias

Una conmutación rápida (tr, tf pequeños) se logra con Qg bajo y un controlador fuerte, pero esto genera altos dV/dt y di/dt.

Consecuencia: Aumentan las interferencias electromagnéticas (EMI), el riesgo de encendido parásito a través de Crss y los picos de voltaje en inductancias parásitas.

Conclusión: Desear aumentar la frecuencia y reducir pérdidas dinámicas entra en conflicto con los requisitos de inmunidad al ruido y fiabilidad. A menudo se necesita buscar un equilibrio usando circuitos 'snubber'.

4. Vgs(th) vs. inmunidad al ruido y capacidad de control

Un Vgs(th) bajo es conveniente para controlar desde un microcontrolador (3.3 V, 5 V), pero reduce la inmunidad al ruido en la puerta (riesgo de encendido espontáneo por picos).

Consecuencia: Los transistores para control digital tienen Vgs(th) bajo (1-2V), pero requieren un diseño de placa cuidadoso. Los MOSFETs de potencia "estándar" suelen tener Vgs(th) de ~3-4V para mayor inmunidad.

Conclusión: Elegir entre facilidad de control y fiabilidad en entornos ruidosos.

5. Qrr vs. Tecnología (Planar vs. Superjunction)

El diodo interno (body diode) tiene una carga de recuperación inversa Qrr. Al conmutarlo, se generan pérdidas significativas y picos de corriente. Las tecnologías Superjunction (CoolMOS) permiten reducir mucho el Rds(on) a altos voltajes, pero a menudo tienen Qrr alto y Coss no lineal.

Consecuencia: En circuitos donde este diodo conduce corriente (ej. semi-puentes), un Qrr alto es crítico. Las tecnologías Superjunction optimizan Rds(on) con Vds alto, pero a menudo tienen Qrr muy alto, lo que requiere medidas especiales (ej. uso en circuitos con conmutación dura, pero no en LLC resonantes).

Conclusión: Para circuitos donde trabaja el body diode, hay que mirar no solo Rds(on) sino también Qrr.

Efectos físicos avanzados y limitaciones

Transistor bipolar parásito y "latch-up" (enganche)

En la estructura MOSFET existe un transistor NPN parásito. Al apagar rápidamente una corriente alta (di/dt) o durante la recuperación inversa del diodo, fluye corriente a través de R_body. Aparece un voltaje en R_body. Si supera ~0.7V, el transistor parásito se activa. El transistor entra en cortocircuito entre drenador y fuente, incontrolable por la puerta. Resultado: destrucción instantánea.

Prevención: Minimizar la inductancia de los terminales drenador-fuente (reduce picos). Usar un apagado más lento (mayor Rgoff) en puntos críticos (pero aumenta pérdidas). Elegir transistores con R_body bajo (a menudo no se especifica en la hoja de datos, depende de la tecnología).

Efecto de "sobresaturación" (Histeresis de la capacitancia Puerta-Drenador)

En MOSFETs Superjunction, después de un apagado rápido de corriente alta, el Rds(on) en el siguiente ciclo puede estar temporalmente aumentado debido a la disipación incompleta de carga.

Rds(on) dinámico

La resistencia real en modo pulsado puede diferir del valor DC debido a efectos de calentamiento y atrapamiento de cargas.

Degradación por voltaje (Inestabilidad por Temperatura y Polarización — BTI)

Durante operación prolongada con alto voltaje en la puerta (especialmente a alta temperatura), el voltaje umbral Vgs(th) se desplaza gradualmente. Generalmente aumenta. Con el tiempo, el transistor puede dejar de encenderse completamente con el mismo voltaje del controlador, llevando a mayor pérdida y sobrecalentamiento.

Prevención: Elegir un controlador con suficiente margen en su voltaje de salida (ej. 10V en lugar de 5V) y transistores de fabricantes que especifiquen pruebas BTI.

Especificación de Avalancha (UIS)

Es el máximo absoluto para un evento único en condiciones controladas. Con eventos repetitivos (ej. en carga inductiva) ocurre:

• Sobrecalentamiento localizado en puntos de ruptura. El silicio se funde, formando microdefectos.
• Aumento de la fuga de puerta, caída de Vgs(th).
• Crecimiento incontrolado de Rds(on).

Prevención: El sistema debe diseñarse para NUNCA entrar en modo de avalancha durante operación normal. La especificación UIS es un margen para situaciones de falla, no un modo de trabajo.

Dependencias con la temperatura

Retroalimentación negativa (estabilizadora)

• Vgs(th) disminuye al aumentar la temperatura (~ -6 mV/°C)
• Al sobrecalentarse, el transistor se enciende más fácilmente, lo que puede prevenir la fuga térmica en algunas condiciones

Retroalimentación positiva (desestabilizadora)

• Rds(on) aumenta con la temperatura (+50%...+100% con ΔT=75°C)
• Más pérdidas → más temperatura → más Rds(on) → más pérdidas
• El área SOA se reduce al aumentar la temperatura

Regla práctica

Todos los cálculos de pérdidas y selección del disipador deben hacerse para la temperatura máxima de operación de la unión (usualmente 100-150°C), no para temperatura ambiente.

Interacción con el controlador (driver) y elementos parásitos

Inductancias parásitas

Inductancia	Impacto	Solución
Ls (fuente)	En conmutación rápida, la corriente a través de Ls crea un pico de voltaje. Este voltaje se resta del Vgs de control, subiendo el umbral de encendido y ralentizando la conmutación.	Usar encapsulados con terminal Kelvin (fuente de potencia separada)
Ld (drenador)	Con Coss (capacidad de salida) forma un circuito LC. Al apagar corriente alta (di/dt < 0) surge un pico de voltaje peligroso Vds_pico = Ld * |di/dt|, que puede superar Vds(max).	Minimizar el bucle drenador-fuente, usar 'snubbers', elegir transistor con margen de voltaje
Lg (puerta)	Con la capacitancia de entrada Ciss ralentiza la recarga de la puerta, aumentando los tiempos de conmutación y pérdidas. Puede causar oscilaciones en la puerta.	Pistas lo más cortas y anchas posibles a la puerta, colocar el controlador muy cerca del transistor

Conclusión: Los parámetros dinámicos (tr, tf, pérdidas por conmutación) en un circuito real siempre son peores que en la hoja de datos. Un encapsulado de baja inductancia a menudo es más importante que una pequeña diferencia en Rds(on).

Efecto Miller y carga Qgd

Cargar la capacitancia Crss (Cgd) crea corriente a través del controlador mientras cambia Vds. La potencia del controlador determina la velocidad para cruzar la "meseta Miller" en la curva Vgs. Un controlador débil con alta resistencia de salida alarga el tiempo en la meseta, aumentando el tiempo de conmutación/pérdidas. Un controlador potente cruza la meseta rápido, pero genera enormes di/dt y dV/dt. Por eso a menudo se usan controladores de dos etapas o resistencia de puerta variable: baja para alcanzar rápido la meseta, aumentada para cruzar la meseta (para controlar dV/dt), y baja de nuevo para encender completamente.

Asimetría encendido/apagado

La mayoría de controladores pueden entregar más corriente de la que pueden absorber, lo que lleva a diferencias en los tiempos de encendido y apagado. Las pérdidas en el apagado a menudo dominan. Para balancear se usan resistencias diferentes en los caminos de Rgon y Rgoff.

Condensador externo de puerta (Cgs)

• Añadir un condensador pequeño entre puerta y fuente reduce la velocidad de conmutación y suprime oscilaciones.
• Consecuencia: Aumenta la carga efectiva de puerta Qg requerida al controlador. El controlador puede sobrecargarse, aumentan las pérdidas por conmutación.
• Prevención: Primero optimizar el diseño (reducir inductancia), usar una resistencia en serie, y solo como último recurso, el condensador.

Circuitos 'Snubber' (amortiguadores)

• Un 'snubber' RC en el drenador suprime picos y oscilaciones, previniendo ruptura.
• Consecuencia: Crea una carga adicional (se pierde potencia), reduce la eficiencia general, y puede aumentar el tiempo de apagado (el condensador del snubber se descarga a través del transistor al encender).
• Prevención: Buscar equilibrio entre "limpieza" de las formas de onda y eficiencia. A menudo es mejor dedicar tiempo a mejorar el diseño que a los snubbers.

Fuente de alimentación del controlador de baja potencia

• Alta resistencia de la fuente de alimentación del controlador a altas frecuencias.
• Consecuencia: Inestabilidad, rizado o potencia insuficiente de esta fuente afectan directamente los tiempos de conmutación
• Prevención: Incluso con 12V estables, si el condensador de alimentación del controlador está lejos (añade inductancia), en el momento de la conmutación el voltaje en la puerta puede "caer", ralentizando el proceso y aumentando pérdidas.

Recomendaciones de selección para diferentes circuitos

Circuito	Parámetros críticos	Parámetros secundarios	Ejemplo de aplicación
Interruptor lado alto (Buck, Boost)	Qg, Rds(on), Crss	Qrr, Vgs(th)	Fuentes de alimentación conmutadas
Interruptor lado bajo síncrono	Rds(on) (mín), Qrr (diodo), Coss	Qg, Vgs(th)	Rectificadores síncronos
Medio puente, Puente H	Qrr, SOA, Crss	Rds(on), Vgs(th)	Inversores, controladores de motor
Convertidores resonantes (LLC)	Coss/Eoss, Rds(on), Qg	Qrr, Crss	Fuentes de alta eficiencia, para servidores
Interruptor de carga (DC)	Rds(on)	Todos los parámetros dinámicos	Relés de potencia, interruptores estáticos

Nuevos materiales: SiC y GaN

Material	Ventaja clave	Compromiso principal	Mejor aplicación
Silicio (Si)	Bajo costo, tecnología madura	Frecuencia limitada, pérdidas altas	Aplicaciones universales, hasta 100 kHz
Carburo de silicio (SiC)	Alto campo eléctrico, Qrr bajo, alta temperatura	Costo alto, sensibilidad de la puerta	Convertidores de alto voltaje (600V+), 100 kHz - 1 MHz
Nitruro de galio (GaN)	Dinámica ideal (Qg, Qrr extremadamente bajos), frecuencia hasta 10 MHz+	Costo muy alto, Vgs(th) bajo, rango estrecho de Vgs	Convertidores ultracompactos, transmisión inalámbrica de energía

Depuración práctica: qué observar en el osciloscopio

Formas de onda clave

Vgs (puerta-fuente):

• Normal: Flancos nítidos, meseta Miller (para lado alto), sin oscilaciones
• Problemas:
  • Oscilaciones - resistencia de puerta muy baja o Lg grande
  • Caída durante la meseta - controlador débil
  • Amplitud baja - problema con la alimentación del controlador

Vds (drenador-fuente):

• Normal: dV/dt controlados, picos < 30% del Vbus
• Problemas:
  • Picos grandes - bucle Ld grande
  • Oscilaciones - resonancia Coss con inductancia parásita
  • "Hombro" al encender - carga de Coss (normal para ZVS)

Id (corriente de drenador):

• Problemas:
  • Pico al encender - carga Qrr del diodo en circuito de puente
  • La corriente sube más rápido de lo que baja Vds - trabajo en modo lineal

Metodología de medición

Todas las mediciones deben hacerse usando puntas especiales con conexión a tierra mínima o con sondas diferenciales. La pinza cocodrilo de tierra larga estándar distorsionará la imagen debido a inductancias parásitas.

Diagnóstico de problemas en MOSFET

Problema	Causa posible (interrelación de parámetros)	Qué se puede hacer
El transistor se sobrecalienta a baja frecuencia	Rds(on) demasiado alto para esa corriente. No se consideró el aumento de Rds(on) con la temperatura.	Aumentar el disipador, usar transistor con menor Rds(on), verificar el Vgs real (¿es suficiente para encender completamente?).
El transistor se sobrecalienta a alta frecuencia	Dominan las pérdidas dinámicas. Qg o Qrr altos.	Aumentar la potencia del controlador, optimizar el tiempo muerto (dead-time), elegir transistor con mejor FOM (Rds(on)*Qg).
Destrucción al apagar	Exceso de Vds(max) debido a pico. Inductancia de drenador Ld grande.	Instalar 'snubber', reducir Ld mejorando el diseño, usar transistor con mayor Vds, reducir velocidad de apagado (aumentar Rgoff).
Encendidos falsos, corrientes de cruce (shoot-through)	Interferencia dV/dt a través de Crss. Velocidad de conmutación del interruptor vecino demasiado alta.	Aumentar el tiempo muerto, reducir la velocidad de conmutación (aumentar Rgon/Rgoff), usar transistor con menor Crss.
Oscilaciones en la puerta	Resonancia Lg-Ciss. Resistencia de puerta demasiado baja, pistas largas.	Añadir resistencia en serie (10-100 Ohm) cerca de la puerta, acortar pistas, como último recurso, añadir condensador Cgs pequeño (hasta 1 nF).
Rds(on) creciente con el tiempo en el sistema	Degradación por BTI o rupturas parciales en avalancha.	Verificar que no se exceda el voltaje máximo de puerta, asegurar un control estable, verificar picos en Vds.

Algoritmo de selección del MOSFET

1. Definir requisitos del sistema:
   • Vds y Id máximos
   • Frecuencia de conmutación
   • Topología del circuito
   • Temperatura ambiente
2. Determinar las pérdidas dominantes:
   • Frecuencia baja → pérdidas estáticas (Rds(on))
   • Frecuencia alta → pérdidas dinámicas (Qg, Qrr)
   • Circuito de puente → pérdidas del diodo (Qrr)
3. Elegir el encapsulado:
   • Alta potencia → TO220, TO247, D2PAK
   • Alta frecuencia → encapsulados de baja inductancia (LFPAK, DirectFET, QFN)
4. Buscar candidatos:
   • Por parámetros clave y FOM
   • Considerar optimización del fabricante (Fast Switching, Sync Rec, HV)
5. Análisis de la hoja de datos:
   • Gráficos de Rds(on) vs. Temperatura
   • Gráficos de Qg vs. Vgs
   • SOA a temperatura máxima
   • Dependencia de Coss con Vds
6. Cálculo de pérdidas y temperatura:
   • Ptot = Pcond + Psw - pérdidas totales
   • Pcond = Irms² × Rds(on)@Tjmax - pérdidas estáticas
   • Psw = fsw × (Eon + Eoff) - pérdidas dinámicas
   • Tj = Ta + Rth(j-a) × Ptot - temperatura de operación
7. Diseño del circuito asociado:
   • Selección del controlador con corriente suficiente
   • Cálculo de resistencias de puerta (Rgon, Rgoff)
   • Colocación de componentes (longitud mínima de conductores)
8. Prototipo y mediciones:
   • Formas de onda Vgs, Vds, Id
   • Temperatura del encapsulado en el peor caso
   • Pruebas de estrés: arranque, cortocircuito, desconexión de carga

Conclusiones clave

• Elegir un MOSFET siempre es un compromiso entre parámetros estáticos y dinámicos
• No hay un transistor "mejor" en general, solo el óptimo para una tarea concreta
• Los parámetros en la hoja de datos se miden en el chip - en un circuito real todo es peor por los elementos parásitos
• La temperatura es el principal enemigo de la eficiencia y fiabilidad
• Las tecnologías modernas (SiC, GaN) resuelven viejos problemas, pero crean nuevos
• Saber leer formas de onda a menudo es más importante que saber leer hojas de datos

Para valores precisos, consulte siempre las hojas de datos actualizadas de los fabricantes.