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F2 · electrónica de potencia

El dispositivo de conmutación: un interruptor real se calienta de dos maneras

En la unidad anterior tratamos el interruptor como ideal. El MOSFET de potencia es ese interruptor, pero un interruptor real pierde potencia en su pequeña resistencia de encendido mientras conduce, y en el tramo en que se solapan tensión y corriente en cada encendido y apagado. Recorres tú mismo la frecuencia de conmutación y ves cómo la pérdida de conducción, que no depende de la frecuencia, y la pérdida de conmutación, proporcional a ella, fijan el techo de la eficiencia.

Cambia la frecuencia de conmutación y encuentra dónde se cruzan las dos pérdidas

Las formas de onda son la tensión Vds en el dispositivo y la corriente Id que lo atraviesa durante un período de conmutación. Mientras conduce, la tensión es casi 0, así que solo aparece una pequeña pérdida de conducción (ámbar); en los breves instantes de encender y apagar, tensión y corriente son grandes a la vez y se levanta un pico rojo de pérdida. Al subir la frecuencia de conmutación, cada período se acorta, los picos de transición ocupan una parte mayor y la pérdida de conmutación supera a la de conducción. El indicador muestra las dos pérdidas, su suma y la eficiencia respecto de la potencia de salida.

Frecuencia de conmutación fswfsw = 200 kHz
Pérdida y eficiencia
P_cond = 0.48 W P_sw = 0.96 W
P_tot = 1.44 W · η = 98.2%
La frecuencia de conmutación es intermedia. La frecuencia a la que se igualan las dos pérdidas del indicador está al principio de este tramo, así que la pérdida de conmutación alcanza a la de conducción y empieza a superarla. Aquí se decide si subir más la frecuencia.
Las dos pérdidas se igualan

El costo de estar encendido: la resistencia de encendido crea la pérdida de conducción

Un interruptor ideal tiene tensión 0 entre sus extremos cuando está encendido, pero un MOSFET de potencia real conserva una pequeña resistencia de encendido Ron. Por eso, cuando circula una corriente Io, aparece en el dispositivo una tensión Io·Ron, y mientras conduce la pérdida de conducción P_cond = Io²·Ron se convierte en calor. La fracción de cada período en que conduce es el ciclo de trabajo D, así que en promedio P_cond = Io²·Ron·D. Esta pérdida no depende de cuántas veces se conmuta; la fijan solo la corriente y la resistencia de encendido, y crece con el cuadrado de la corriente. Con la misma corriente, un dispositivo con menor Ron se calienta menos.

El costo de conmutar: el solapamiento crea la pérdida de conmutación

Una transición no termina en un instante. Encender y apagar el dispositivo lleva un tiempo breve, y durante él la tensión todavía no ha bajado del todo mientras la corriente ya sube, así que ambas se solapan. En ese instante en que tensión y corriente son grandes a la vez, P = Vds·Id se dispara. Si tsw es la suma de los tiempos de encendido y de apagado, en cada período se pierde como calor una energía E_sw = ½·Vds·Io·tsw. Esta pérdida ocurre una vez por período, así que al conmutar fsw veces por segundo la pérdida de conmutación es P_sw = E_sw·fsw, directamente proporcional a la frecuencia. A diferencia de la pérdida de conducción, cuanto más rápido se conmuta, más a menudo se escapa.

El compromiso, y por qué se buscan dispositivos más rápidos y de menor resistencia

¿Por qué subir la frecuencia, entonces? Como se vio en F1, la salida conmutada la fija el ciclo de trabajo, y el trabajo de alisar los trozos lo hacen la bobina y el condensador. Al subir la frecuencia, una bobina y un condensador más pequeños logran el mismo alisado, así que la fuente se vuelve más pequeña y ligera. El precio es la pérdida de conmutación, de modo que el diseño siempre es un compromiso. Si se sube la frecuencia para achicar el circuito, crece la pérdida de conmutación; si se baja para reducir la pérdida, el circuito crece. La forma de resolver este tira y afloja de una vez es un dispositivo mejor. Una resistencia de encendido menor reduce la pérdida de conducción, y una transición más rápida (tsw más corto) reduce la de conmutación. Los dispositivos de brecha ancha, como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), soportan la misma tensión con una capa más delgada y bajan las dos pérdidas a la vez, lo que hace la electrónica de potencia más pequeña y eficiente.

ObservaPcond = I² Ron D
La pérdida de conducción es la corriente al cuadrado por la resistencia de encendido y por el ciclo de trabajo.
EligeEsw = ½ Vds Io ?
La pérdida de transición en un período es proporcional al tiempo en que se solapan tensión y corriente.
CompletaPsw = Esw ?
La pérdida de conmutación es la energía de transición por período multiplicada por la frecuencia de conmutación.
Por tu cuentaPtot = Pcond ?
La pérdida total es la suma de las pérdidas de conducción y de conmutación, y esa suma fija el techo de la eficiencia.

De vuelta a la primera pantalla

Con la frecuencia de conmutación baja, la pérdida era casi solo la de conducción, en ámbar; al subir la frecuencia, los picos rojos de transición aparecieron a menudo y la pérdida de conmutación superó a la de conducción. El costo de estar encendido era P_cond = Io²·Ron·D, por la resistencia de encendido, y el de conmutar era P_sw = E_sw·fsw, por el solapamiento de tensión y corriente. Así es en realidad el interruptor que en F1 se supuso ideal. La forma de bajar las dos pérdidas a la vez es una resistencia de encendido menor y transiciones más rápidas, es decir, un dispositivo mejor, y lo que distingue a esos dispositivos se remonta a las bandas de energía de la primera unidad de esta ruta. El hilo que fue de las bandas a los portadores, a las uniones y los diodos, y a los transistores que amplifican y conmutan, se cierra aquí.

El MOSFET de potencia es el interruptor de F1, pero no es ideal. Encendido, su pequeña resistencia de encendido Ron produce una pérdida de conducción Pcond = Io²·Ron·D, que es independiente de la frecuencia. En los breves instantes de encender y apagar, tensión y corriente se solapan y en cada período se escapa Esw = ½·Vds·Io·tsw, de modo que la pérdida de conmutación Psw = Esw·fsw es proporcional a la frecuencia. Subir la frecuencia achica la bobina y el condensador pero aumenta la pérdida de conmutación, así que la pérdida total Pcond + Psw fija el techo de la eficiencia y el calor. La forma de bajar las dos pérdidas a la vez es un Ron menor y transiciones más rápidas, es decir, dispositivos mejores como GaN y SiC.

Cerrando el recorrido

La ruta de electrónica termina aquí. Partió de la pregunta que planteaban las bandas de energía, qué hace que un material conduzca: el dopaje fijó los portadores, la deriva y la difusión los movieron, y la unión pn se convirtió en una válvula de un solo sentido. Con esa válvula rectificamos y dimos forma a las ondas, y el BJT de base delgada y el MOSFET de puerta aislada dieron lugar a la amplificación, controlando un flujo grande con una entrada pequeña. Las etapas diferenciales y los amplificadores operacionales, sus límites de ancho de banda y de slew rate, y los filtros se ocuparon de las señales, y por último el mismo transistor, usado como interruptor, llegó a manejar la propia energía con eficiencia. Un solo hilo, cómo manejar los electrones, recorrió las 24 unidades de principio a fin.