Necesito encontrar un transistor mosfet que trabaje en unas condiciones de 50V y 3A y que ademas tenga un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de 100kHz.
Logicamente con estas condiciones de circuitos podriamos encontrar muchisimos, pero he de elegir el que menos perdidas genere, siempre bajo mi criterio.
Despues de indagar un poco he decidido subir los valores de Vds y de Id a 60V y 4A de modo que si tenemos un exceso de voltaje o corriente nuestro transistor no se queme. Los dos que he encontrado que mas se adecuan al que tengo que buscar son estos:
MCH6445
STN3NF06L
Creo que estos servirian bastante bien, aunque el problema que se me plantea es que no se cual de los dos generaria menos perdidas, o incluso si pudiese elegir otro mejor.
He estado buscando tambien al respecto, y he encontrado que la energia utilizada en cargar el condensador de la puerta(perdidas), es 0.5xCissxVgs^2. No encuentro que relacion puede tener esto con la frecuencia y el ciclo de trabajo..
En primer lugar bienvenido de nuevo. Espero poder ayudarte un poquito. Cuando hablamos de pérdidas hablamos de pérdidas en potencia (es decir, la potencia que se disipa en el transistor será en pérdidas térmicas por lo que hará que su temperatura aumente).
En un transistor trabajando en conmutación (da igual que sea o no mosfet, sino que cualquier switcher que conmute va a tener pérdidas) hay que diferenciar las pérdidas en los diferentes estados de trabajo:
-Estado OFF
-Estado de transición a ON.
-Estado ON
-Estado de transición a OFF.
El total de esas pérdidas será la potencia total de pérdidas, la que se transforme en calor con el paso del tiempo (ya sabes, la energía es la integral de la potencia respecto al tiempo) y por lo tanto tenemos que ver qué influye en las pérdidas en cada uno de los régimenes de funcionamiento.
Estado OFF:
En este caso las pérdidas corresponden a las corrientes de fugas por el voltaje de bloqueo. En el caso ideal la corriente de fugas sería 0A por lo que las pérdidas sería 60V * 0A = 0W. Si pongamos que en 60V el transistor tiene unas fugas de 1mA (lo cual puede ser posible si el transistor trabaja bloqueando voltajes cercanos a su máximo) entonces tendría una pérdida de 60mW (cosa que es despreciable en la práctica). Si en lugar de 1mA fueran 20mA de fugas, tendríamos 1,2W de potencia desperdiciada que ya no es tan despreciable. Así que aquí hay que fijarse en la corriente de fugas, y en la duración del estado OFF.
Estado ON:
En este caso las pérdidas corresponden a la oposición del mismo transistor al paso de la corriente. Se pueden presentar dos formas de calcularla pero es necesaria la Imax en conducción, que en este caso son 3A. Si el datasheet da la Rds(on), cuando el voltaje de puerta está suficientemente excitado, entonces la potencia desperdiciada está claro que es W=Imax^2*Rds(on). Pongamos que la Rds(on) de un transistor preparado para conducir a 3A es de 0,2ohm. Entonces W=9*0,2=1,8W, es decir, casi 2W de pérdidas en conducción. Si en lugar de la Rds(on) que es muy raro que no la den para un mosfet de conmutación, nos dieran el Vds(on) es decir, la caida de voltaje en conducción para varias corrientes (normalmente esto viene en una gráfica de curvas de donde se puede deducir la Rds(on)), pues fíjate en la curva para Ids=3A, supon que en esa curva Vds=0,6V, pues tan fácil como W=Ids*Vds=1,8W.
Así que en este estado hay que fijarse en Rds(on) y V(ds), y en la duración del estado ON
Estados de transición:
Aquí hay que fijarse en lo rápido que es capaz de conmutar el transistor. Por simplicidad y porque no suele variar mucho los cálculos, la conmutación se aproxima a una recta que asciende o desciende hasta pasar de un estado a otro. De esa manera nos ponemos en el peor caso, que es cuando hay una conducción de 3A a un voltaje de 60V, y esa potencia la dividimos por 2 ya que estamos calculando el área del triángulo rectángulo que se forma en la transición en la curva de conducción. En este caso serían 90W.
Ahora que tenemos las pérdidas de todos los estados, determinamos los tiempos:
El tiempo en estado ON y OFF en teoría cubrirían cada uno medio periodo de la señal de 100kHz, es decir 5us cada uno. Del periodo ON habría que descontar el estado de transición de OFF a ON. Supongamos que por la rapidez que puede conmutar el transistor, la transición ocurre en 0,1us. De igual manera del periodo OFF habría que descontar la transición de ON a OFF. Supongamos que por lo que sea nuestro transistor es más lento al cortar y tarda 0,2us. Si te has dado cuenta estos tiempos de transición no cambian si cambia la frecuencia por lo que las pérdidas de transición aumentan a medida que aumenta la frecuencia porque las potencias de los estados de transición empiezan a ser importantes cuando los tiempos de conmutación no se pueden despreciar respecto a los de los estados estables.
En este caso tenemos, un Ton de 4,9us, es decir un 49%, un Toff de 4,8us es decir un 48%, un Trise de 1% y un Tfall de 2%. Entonces la potencia total de pérdidas será -> 1,2W*49%+90W*1%+1,8*48%+90W*2%=4,152W.
Si los tiempos de transición hubieran sido 10 veces más lentos habríamos tenido unas pérdidas de 28W y el disipador para soportar esa potencia sería mucho más grande.
Los tiempos de transición en un MOSFET dependen de la carga y descarga del condensador de puerta. Si consigues chutarle la carga lo más rápido posible (por ejemplo con driver que sea una fuente controlable de tensión) entonces el mosfet responderá con tiempos de transición lo más rápidos que pueda. Si sólo usas una resistencia, entonces la curva de carga de ese condensador será la exponencial de carga a través de una resistencia. En cualquier caso los tiempos de carga y descarga los puedes calcular mediante simulación o estimarlos en función de la corriente que puedas suministrar a la puerta y la capacidad de carga. Para que te hagas una idea. Si el transistor conduce a pleno rendimiento cuando Vgs tiene 5 o más voltios (hasta 20), entonces hasta que el condensador de la puerta no se cargue lo suficiente para que en la puerta hayan 5 o más voltios, el transistor estará todavía en estado de transición. Para la descarga es exáctamente igual. Si el transistor no se corta hasta que Vgs no se encuentre por debajo de 2V, hasta que ese condensador no se haya descargado lo suficiente para que Vgs sea 2V el transistor no estará cortado del todo.
Espero que te haya podido aclarar un par de cosas.
Ah, si, se me olvidaba. Seguramente lo escucharás alguna vez en la carrera, y algunos de por el foro me van a echar el perro por decirte esto (porque choca contra toda intuición y contra el principio de precaución o la regla del 20% que tanto se usa en electrónica), pero tienes que tener mentalidad de ingeniero, es decir, si en las especificaciones te dan unos datos, a menos que te den un rango de aplicación, tienes que ceñirte a los datos. Por ponerte un ejemplo:
Supongamos que debemos elegir un condensador de filtro para que el rizado de una fuente de alimentación a tal carga de corriente no exceda de 1V, y nuestros cálculos nos dan 4500uF. Ponemos uno de 4700uF por ser un valor normalizado. Sin embargo uno puede pensar, si ponemos uno de 10000uF el rizado será menor y es algo bueno para el diseño. El problema es que ese diseño no es óptimo, por lo que no es un buen diseño. Si hubieran querido en las especificaciones que el rizado fuera como máximo de 0,5V entonces habría justificación para poner el de 10000uF, pero como no es así, lo lógico es colocar el de 4700uF que es el que cumple con las especificaciones.
Pues con los datos del mosfet lo mismo. Tu principio de precaución te dice que más vale colocar un MOSFET que conduzca 4A porque 4 es mejor que 3 (y claro hay situaciones excepcionales que justifican esto, como picos de corriente, etc, pero ¿cuando valen los picos? ¿seguro que con 4 hay suficiente?), en caso de duda en lugar de poner un valor a dedímetro habría que consultar con el cliente sobre esas condiciones de trabajo, y en caso de que el cliente diga que con 3A ya se cubren las condiciones especiales, pues elegir el mosfet de 3A en lugar del de 4A porque el de 3A sería el diseño óptimo.
Saludos.
