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MOSFET por Mind Map: MOSFET

1. La estructura MOS esta compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopado p o n, sobre el cual se genera una capa de Oxido de Silicio (SiO2) que, posee características dieléctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por último, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal (Aluminio o polisilicio), que posee características conductoras.

2. Este artículo presenta el diseño de un circuito de detección de fallas aplicadas a Mosfet de carburo de silicio; La detección de falla es realizada a través del monitoreo de comportamiento de la señal de compuerta.

3. Las más importantes características que se analizan y se reportan son: detección rápida debido a que la evaluación se realiza en la conmutación a encendido, detectar la detección de fallas en corto circuito y circuito abierto; tiempos rápidos de detección lo que previene difusión de la falla al sistema completo. Para validar el circuito de detección fue diseñado con convertidor boost con SiC-Mosfet.

4. Palabras clave: semiconductor; carburo de silicio; detección de fallas

5. El desarrollo de semiconductores de potencia basados ​​en materiales con banda prohibida amplia como el carburo de silicio (SiC) se ha convertido en una alternativa viable para reemplazar los dispositivos de potencia de silicio reales debido a sus ventajas como: banda prohibida más amplia (2x), mayor saturación de velocidad de electrones (2x) y mejor conductividad térmica (5x).

6. Estas ventajas ayudan a evitar el uso de disipadores térmicos que mejoran la frecuencia de conmutación y reducen las pérdidas de conmutación con una mejor estabilidad frente a la temperatura [ 1 - 4 ]. El Power-MOS basado en (SiC) es uno de los dispositivos listos para reemplazar la solución de silicio Power-MOS real principalmente en aplicaciones con alta temperatura y alta densidad de corriente como convertidores de potencia.

7. Las características eléctricas del SiC-Mosfet requieren un subsistema de detección temprana de fallas para aislar cualquier falla lo más rápido posible, evitando el daño de los componentes y protegiendo la aplicación. En la literatura se han informado diferentes técnicas de detección de fallas basadas en la medición del voltaje del colector, la corriente del colector, el voltaje de la compuerta y el voltaje inducido a partir de la inductancia del cable emisor para IGBT [ 5 - 9 ].

8. Sin embargo, la implementación de un circuito de detección de fallas representa un costo más alto con configuraciones complejas y bajo rendimiento para la detección de fallas y revierte los transitorios de voltaje. Otras técnicas informadas se basan en la medición de los cambios de nivel de voltaje [ 10 ], la desviación de la corriente normalizada [ 11], 12 ], y la velocidad de respuesta de voltaje [ 13 , 14 ]. Estas técnicas son más rápidas que las mencionadas anteriormente. Sin embargo, para encontrar la falla, se necesitan varias mediciones que causen una detección tardía de la falla debido al análisis complejo incluso en estado estacionario y solo para la condición de falla de circuito abierto.

8.1. Los circuitos de polarización típicos para MOSFET enriquecido, son similares al circuito de polarización utilizados para JFET. La principal diferencia entre ambos es el hecho de que el MOSFET de enriquecimiento típico sólo permite puntos de funcionamiento con valor positivo de VGS para canal n y valor negativo de VGS para el canal p. Para tener un valor positivo de VGS de canal n y el valor negativo de VGS de canal p, es adecuado un circuito de auto polarización. Por lo tanto hablamos de recorte de realimentación y circuito divisor de tensión para mejorar el tipo MOSFET.

9. Estas técnicas son más rápidas que las mencionadas anteriormente. Sin embargo, para encontrar la falla, se necesitan varias mediciones que causen una detección tardía de la falla debido al análisis complejo incluso en estado estacionario y solo para la condición de falla de circuito abierto.

10. En [ 15 - 17 ] se ha demostrado que un análisis correcto de la señal de puerta (IGBT Mosfet) permite un tiempo de detección de microsegundos. Para aplicar una técnica basada en el comportamiento de la puerta del SiC-Mosfet es necesario analizar el comportamiento de la carga de las capacidades internas C GS y C GD debido al pequeño valor de capacitancia (1900 pF) y la carga de la puerta de menos de 28 nC para 1200V @ 25A [ 18 ].

11. Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido (SiO2) que impide prácticamente el paso de corriente a su través; por lo que, el control de puerta se establece en forma de tensión. La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas capas de óxido es la principal causa del éxito alcanzado con este transistor, siendo actualmente el dispositivo más utilizado. Además, este transistor ocupa un menor volumen que el BJT, lo que permite una mayor densidad de integración. Comencemos con la estructura básica del MOSFET, seguido de sus símbolos. Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el substrato semiconductor es de tipo p poco dopado. A ambos lados de la interfase Oxido-Semiconductor se han practicado difusiones de material n, fuertemente dopado (n+).

12. uando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un MOSFET de tipo N, se crea un campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor P. Este campo, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa de óxido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una región muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la Fuente al Drenador. Cuanto mayor sea la tensión de Puerta (Gate) mayor será el campo eléctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensión positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensión de la Fuente (Source).

13. En un MOSFET tipo P, el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas de valor positivas, el módulo de la carga del electrón). En este caso, para que exista conducción el campo eléctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por lo que la tensión aplicada ha de ser negativa. Ahora, los huecos son atraídos hacia la superficie bajo la capa de óxido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se forma el canal P. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta mayor puede ser la corriente (más huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de Drenador una tensión negativa respecto al terminal de Fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.