Funcionamiento controlado por tensión: Conmutación de baja potencia y alta impedancia de entrada

Cómo la puerta aislada permite una corriente de puerta estática nula y una potencia de excitación mínima

¿Qué hace tan especiales a los MOSFET? Pues bien, cuentan con esta excelente característica de tener una puerta aislada, generalmente fabricada con dióxido de silicio, lo que les confiere una impedancia de entrada prácticamente infinita. Una vez que la puerta se carga o descarga, ya no circula corriente continua alguna a través de ella. Esto significa que, prácticamente, no hay corriente estática de puerta circulando en todo momento, y no se disipa potencia alguna cuando el dispositivo permanece inactivo. La mayor parte de la energía se emplea únicamente durante la conmutación del dispositivo, es decir, al cargar la capacitancia de la puerta. Observemos algunos valores numéricos: si alguien desea excitar un MOSFET con una carga de puerta de aproximadamente 10 nC a una frecuencia de unos 100 kHz, necesitará alrededor de 10 mW de potencia de excitación. En comparación con las antiguas alternativas bipolares, esta diferencia en eficiencia es como la noche y el día. Debido a este bajo requerimiento de potencia, los ingenieros pueden conectar directamente estos dispositivos a microcontroladores sin necesidad de componentes intermedios adicionales, simplificando así notablemente el diseño del sistema.

Impacto en el mundo real: MOSFET de nivel lógico que reducen la carga en las GPIO de la MCU en los módulos de control corporal automotriz

Cada vez más ingenieros automotrices recurren a MOSFET de nivel lógico que funcionan con tan solo 3,3 a 5 voltios para conectarlos directamente a los pines GPIO de los microcontroladores dentro de los módulos de control de carrocería en la actualidad. Este enfoque elimina por completo la necesidad de circuitos integrados conductores adicionales para amplificación de corriente cada vez que se desea gestionar elementos como luces del vehículo, pequeños motores o válvulas solenoide. Observemos lo que ahora es posible: un único pin GPIO puede manejar la conmutación de cargas de hasta 2 amperios a 12 voltios, algo que anteriormente requería relés tradicionales que consumían entre 50 y 100 miliamperios simplemente en estado de espera, listos para activarse. La reducción en la demanda de corriente a través de los pines GPIO supera el 95 %, lo que significa que las placas de circuito impreso pueden fabricarse mucho más delgadas, los sistemas resultan generalmente menos costosos de producir y también se prolonga la duración de las baterías. Estas ventajas son especialmente relevantes en la actualidad, ya que los fabricantes de vehículos eléctricos avanzan con sus nuevas generaciones de diseños basados en arquitecturas de 48 voltios, donde cada ápice de eficiencia contribuye a extender la autonomía y mejorar el rendimiento.

Eficiencia energética: Rds(on) ultra baja y pérdidas por conducción mínimas

MOSFET de zanja y de unión superpuesta que alcanzan un Rds(on) inferior a 1 mΩ para funcionamiento de alta corriente y bajas pérdidas

Según una investigación reciente publicada en la revista Power Electronics Journal en 2023, aproximadamente el 45 % de todas las pérdidas de potencia en los MOSFET actuales se debe únicamente a la conducción. Esto hace que alcanzar valores de resistencia extremadamente bajos sea absolutamente crucial para la eficiencia. Recientemente, los fabricantes han logrado avances significativos mediante diseños avanzados de ranuras (trench) y estructuras de superunión, capaces de reducir Rds(on) por debajo de 1 miliohm gracias a formas mejoradas de la compuerta y técnicas avanzadas de fabricación del silicio. Estas mejoras reducen considerablemente esas molestas pérdidas I²R cuando circula corriente a través del dispositivo, lo cual resulta especialmente relevante en sistemas grandes que manejan cargas elevadas, como las fuentes de alimentación de centros de datos. Considérese un escenario típico en el que alguien logra reducir Rds(on) de 5 miliohms a tan solo 2 miliohms en un circuito que conduce una corriente de 100 amperios. A lo largo del tiempo, esto supone un ahorro aproximado de 18 dólares estadounidenses en costos eléctricos por cada kilovatio-hora consumido, además de reducir la acumulación de calor que podría dañar componentes cercanos en la placa.

MOSFET de carburo de silicio (SiC) que reducen las pérdidas de potencia estáticas en más del 60 % en los sistemas de potencia para vehículos eléctricos de 48 V

El carburo de silicio (SiC) o los MOSFET de SiC están causando un gran impacto en los sistemas de potencia de 48 V para vehículos eléctricos gracias a sus notables mejoras de eficiencia. Al ser semiconductores de banda prohibida ancha, estos componentes presentan naturalmente una menor resistencia y permiten que los electrones se desplacen con mayor velocidad a través de ellos. Esto se traduce en aproximadamente un 60 % menos de pérdidas de potencia estática en comparación con las alternativas convencionales basadas en silicio. Otra ventaja importante es la excelente gestión térmica del SiC. Dado que conduce la energía térmica de forma tan eficaz, los ingenieros pueden reducir efectivamente el tamaño de los módulos de potencia sin necesidad de disipadores de calor voluminosos, como los que se observan en diseños anteriores. Para los fabricantes automotrices que buscan superar límites, esta combinación de menores pérdidas y factores de forma compactos contribuye directamente a mayores autonomías entre cargas y a sistemas de refrigeración mucho más sencillos en su conjunto.

Capacidad de conmutación de alta velocidad para PWM avanzado y conversión de potencia de alta frecuencia

El conmutador de nanosegundos permite convertidores CC-CC de >1 MHz sin comprometer la eficiencia

La tecnología moderna de MOSFET puede conmutar entre estados en menos de 15 nanosegundos, lo que permite que los convertidores CC-CC funcionen de forma fiable a frecuencias superiores a 1 MHz. La conmutación más rápida significa que, efectivamente, podemos reducir el tamaño de esos condensadores e inductores grandes aproximadamente a la mitad o a dos tercios, manteniendo aún una eficiencia superior al 95 % incluso cuando las cargas varían. Algunos diseños más recientes con estructuras avanzadas en zanja reducen la carga de compuerta a menos de 10 nanoculombios, lo que ayuda a prevenir peligrosos eventos de conducción directa («shoot-through») cuando la conmutación es demasiado rápida. Tomemos como buen ejemplo los MOSFET de nitruro de galio (GaN): según la revista *Power Electronics Europe* del año pasado, reducen las pérdidas por conmutación en torno al 40 % en comparación con los componentes tradicionales de silicio, en fuentes de alimentación para servidores de alta frecuencia que operan a 1,2 MHz. Además, al presentar valores más bajos de capacitancia de entrada y salida, también se reducen los problemas de sobretensión. Esto permite a los diseñadores reducir el tamaño de los componentes magnéticos sin tener que preocuparse por problemas de sobrecalentamiento, algo que anteriormente era realmente difícil de lograr.

Equilibrar velocidad y EMI: estrategias de diseño para conmutación limpia en las líneas de alimentación de los sistemas ADAS

En los sistemas ADAS automotrices, esos interruptores ultrarrápidos capaces de alcanzar más de 100 voltios por nanosegundo generan graves problemas de interferencia electromagnética (EMI). Los ingenieros deben seleccionar cuidadosamente las resistencias de compuerta adecuadas, ya que estas controlan la velocidad con la que cambia el voltaje, lo que ayuda a prevenir oscilaciones no deseadas sin ralentizar excesivamente el funcionamiento. Para gestionar esas molestas sobretensiones que aparecen al desconectar los componentes, los circuitos amortiguadores (snubber) resultan muy útiles. Asimismo, disponer los cables en pares trenzados dentro de una cubierta blindada reduce significativamente los problemas de radiación. La tecnología más reciente, que emplea modulación de espectro extendido, reduce efectivamente los niveles pico de EMI aproximadamente entre 12 y 15 decibelios, según las normas CISPR del año pasado. Esto es fundamental, ya que mantener el ruido por debajo de 30 milivoltios en sistemas de 48 voltios es absolutamente crítico para garantizar señales LiDAR nítidas durante situaciones de conducción importantes, donde la seguridad depende de lecturas precisas.

Robustez y fiabilidad en entornos exigentes de control de potencia

Clasificaciones de tensión escalables (20 V–1,7 kV) y optimización del área de funcionamiento seguro (SOA) para arquitecturas de sistemas de 12 V a 800 V

La tecnología MOSFET abarca un impresionante rango de tensiones, que comienza en torno a 20 voltios para componentes básicos de nivel lógico y llega hasta versiones potentes de 1700 voltios utilizadas en aplicaciones industriales pesadas. Estos componentes funcionan bien en distintos diseños de sistemas, como los sistemas eléctricos estándar de 12 voltios en automóviles, las configuraciones de 48 voltios presentes en algunos vehículos híbridos e incluso las avanzadas plataformas de 800 voltios empleadas en los automóviles eléctricos modernos. El área segura de operación (SOA, por sus siglas en inglés) ha sido cuidadosamente diseñada para evitar situaciones peligrosas de sobrecalentamiento y también para soportar sobretensiones inesperadas. Según una reciente investigación industrial de 2023, este tipo de protección reduce las fallas en condiciones operativas exigentes en aproximadamente un treinta por ciento o más. Lo que hace tan valiosos a estos dispositivos es su capacidad para mantener una operación constante ante condiciones de carga variables, algo absolutamente crítico para los inversores solares y eólicos, que deben adaptarse a salidas de potencia constantemente cambiantes, manteniendo al mismo tiempo un control fiable de la tensión.

Innovaciones en Gestión Térmica: Paquetes Revestidos de Cobre y Vías Térmicas en PCB para Extender la Durabilidad bajo Cargas Pulsadas

Soluciones mejoradas de encapsulado térmico, como terminales revestidos de cobre y vías térmicas densamente agrupadas en las PCB, mejoran significativamente la disipación de calor cuando los componentes operan en régimen pulsado. Esto puede reducir las temperaturas máximas en la unión aproximadamente un 40 por ciento. Esta tecnología resulta especialmente eficaz para garantizar la fiabilidad operativa en entornos térmicos exigentes, como accionamientos de motores y convertidores de potencia de alta frecuencia. Dichos sistemas suelen experimentar cambios bruscos de carga que generan puntos calientes casi de forma instantánea. Cuando los materiales conducen mejor el calor, su vida útil se prolonga antes de sufrir degradación, lo que permite que los equipos mantengan su funcionalidad con el paso del tiempo. Incluso en entornos críticos donde la falla no es una opción —como fábricas con líneas de producción automatizadas o grandes centros de datos que alojan servidores— estas mejoras marcan toda la diferencia para mantener el rendimiento sin interrupciones imprevistas.