MOSFET de Potência

1. MOSFET de Potência Carlos Edson Flávio Jorge Luciano Rafael Welinton

2. Introdução • Um MOSFET, comparado com outros dispositivos semicondutores de potência (IGBT, Tiristor...), tem como vantagens a alta velocidade de comutação e boa eficiência em baixa voltagem. Compartilha com o IGBT uma ponte isolada que torna mais fácil sua condução. • O MOSFET de Potência é o switch mais usado para baixa voltagem (menos de 200V). Pode ser encontrado em várias fontes, conversores DC/DC, e controles de motor a baixa voltagem. • Quando usar MOSFET: 1. Freqüências altas (acima de 50 kHz); 2. Tensões muito baixas (< 500 V); 3. Potências baixas (< 1 kW)

3. Região de Operação

4. Estrutura Básica Diversas estruturas foram exploradas desde o início dos anos 80, quando o primeiro MOSFET de Potência foi introduzido. Entretanto, a maior parte deles foi sendo abandonada (pelo menos até recentemente) a favor da estrututa Vertical Diffused MOS (VDMOS), também chamado Double-Diffused MOS ou simplesmente DMOS. Seção de um VDMOS, mostrando a célula elementar. Note que a célula é muito pequena (alguns micrometros), e os MOSFETs de Potência são compostos de milhares delas.

5. Estrutura Básica

6. Estrutura Básica Analisando a figura ao lado, temos que devido à elevada impedância entre porta e fonte, forma-se um capacitor entre as mesmas e, portanto, o circuito simples de comutação não precisa de um capacitor como antigamente. Basta uma bateria e chave conforme mostra o circuito inferior da figura ao lado.

7. O MOSFET bloqueado Junção P-n- reversamente polarizada (sem tensão de gate). Resistência elevada (grande área de depleção)

8. O MOSFET em condução Tensão positiva de gate induz a condutividade do canal A corrente flui através da seção vertical do dispositivo. A resistência total em condução é dada pelo somatório das resistências da região n-, do canal, terminais de contato de dreno e fonte (source). Junção p-n- resulta num diodo Di em anti-paralelo com o sentido de condução dreno-source. Tensão negativa dreno-source polariza diretamente o diodo Di

9. Características On-stateResistência On-state Quando o MOSFET de Potência está em on-state, este apresenta um comportamento resistivo entre os terminais do coletor e emissor. Pode ser visto na figura que essa resistência (chamada RDSon “resistência coletor para emissor em on-state”) é a soma de várias contribuições elementárias: RS é a resistência do emissor. Rch. Resistência do canal. Ra é a resistência de acesso. RJFET é o efeito da redução da célula. Rn é a resistência da camada epitaxial. RD é o equivalente do RS para o coletor.

10. Característica Estática do MOSFET Entrada em Condução: VGS >> VGS(th) , 10 ≤ VGS ≤ 20 Bloqueio : VGS < VGS(th) A resistência em Condução(RDSon) possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo de MOSFETS. Circuito de Comando: possuem características de fonte de tensão, sendo mais simples do que BPT (comando com características de fonte de corrente).

11. A = Região de resistência constante;B = Região de corrente constante;

12. Região de Corte • O transistor permanece desligado (Vgs < Vth); • Idealmente não há corrente entre o dreno e a fonte (Vds < BVdss); • O MOSFET deve operar com Vds sempre menor que BVdss.

13. Região de Corte

14. Região Ativa O transistor fica ligado (Amplificador) A corrente de dreno é relativamente independente da tensão Vds, controlada somente pela tensão Vgs da porta (G). Não é usada em aplicações de eletrônica de potência. (Vds x Id)

15. Região Ativa

16. Região Ôhmica(região linear) Região de Interesse da disciplina, em que a corrente de dreno (Id) aumenta diretamente proporcional a Vds. Como garantir que o MOSFET permaneça nessa região? (Para todos valores de Id) O MOSFET opera como um resistor, controlado pela tensão na comporta.

17. Região Ôhmica(região linear)

18. Características Dinâmicas do MOSFET • Cgd : Pequena e altamente não linear. • Cgs: Elevada e praticamente constante. • Cds : Média e altamente não linear • Os tempos de comutação são determinados pelas taxas de carga e descarga de Cgs e Cgd (Ciss).

20. Valores típicos para um MOSFET de 400V e 4A: td(on) = 30ns ; tr(on) = 50ns ; td(off) = 10ns ; tf = 50ns Os tempos fornecidos pelos fabricantes referem-se normalmente a cargas resistivas e a grandeza de referencia é sempre a tensão. Os tempos de comutação dependem muito do circuito de comando de gatilho empregado.

21. Resumo MOSFETs possuem características de reduzidos tempos durante as comutações (freqüências típicas de dezenas à centenas de kHz). RDSon rapidamente aumenta com o aumento de VDSmax suportável. Circuito de comando de gate muito simples. A escolha dos MOSFETs normalmente são para aplicações com VDSmax < 500 V. Aplicações de MOSFETs com capacidade de bloqueio em torno de 1000 V são para baixas potências (não superior à 100 W).

22. BJT x MOSFET x IGBT