MOSFET de PotênciaMOSFET de Potência

CarlosCarlosEdsonEdsonFlávioFlávioJorgeJorgeLucianoLucianoRafaelRafaelWelintonWelinton

IntroduçãoIntrodução Um MOSFET, comparado com outros dispositivos Um MOSFET, comparado com outros dispositivos

semicondutores de potência (IGBT, Tiristor...), tem como semicondutores de potência (IGBT, Tiristor...), tem como vantagens a alta velocidade de comutação e boa eficiência vantagens a alta velocidade de comutação e boa eficiência em baixa voltagem. Compartilha com o IGBT uma ponte em baixa voltagem. Compartilha com o IGBT uma ponte isolada que torna mais fácil sua condução.isolada que torna mais fácil sua condução.

O MOSFET de Potência é o switch mais usado para baixa O MOSFET de Potência é o switch mais usado para baixa voltagem (menos de 200V). Pode ser encontrado em várias voltagem (menos de 200V). Pode ser encontrado em várias fontes, conversores DC/DC, e controles de motor a baixa fontes, conversores DC/DC, e controles de motor a baixa voltagem.voltagem.

• Quando usar MOSFET:Quando usar MOSFET:

1. Freqüências altas (acima de 50 kHz);1. Freqüências altas (acima de 50 kHz);

2. Tensões muito baixas (< 500 V);2. Tensões muito baixas (< 500 V);

3. Potências baixas (< 1 kW) 3. Potências baixas (< 1 kW)

Região de OperaçãoRegião de Operação

Estrutura BásicaEstrutura Básica

Diversas estruturas foram exploradas desde o início dos anos 80, Diversas estruturas foram exploradas desde o início dos anos 80, quando o primeiro MOSFET de Potência foi introduzido. Entretanto, quando o primeiro MOSFET de Potência foi introduzido. Entretanto, a maior parte deles foi sendo abandonada (pelo menos até a maior parte deles foi sendo abandonada (pelo menos até recentemente) a favor da estrututa Vertical Diffused MOS (VDMOS), recentemente) a favor da estrututa Vertical Diffused MOS (VDMOS), também chamado Double-Diffused MOS ou simplesmente DMOS.também chamado Double-Diffused MOS ou simplesmente DMOS.

Seção de um VDMOS, mostrando a célula elementar. Note que a Seção de um VDMOS, mostrando a célula elementar. Note que a célula é muito pequena (alguns micrometros), e os MOSFETs de célula é muito pequena (alguns micrometros), e os MOSFETs de Potência são compostos de milhares delas.Potência são compostos de milhares delas.

Estrutura BásicaEstrutura Básica

Estrutura BásicaEstrutura Básica

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

O MOSFET bloqueadoO MOSFET bloqueado

Junção P-n- reversamente polarizada (sem tensão de gate).Junção P-n- reversamente polarizada (sem tensão de gate).

Resistência elevada (grande área de depleçãoResistência elevada (grande área de depleção))

O MOSFET em conduçãoO MOSFET em condução

Tensão positiva de gate Tensão positiva de gate induz a condutividade do induz a condutividade do canalcanal

A corrente flui através da A corrente flui através da seção vertical do seção vertical do dispositivo.dispositivo.

A resistência total em A resistência total em condução é dada pelo condução é dada pelo somatório das resistências somatório das resistências da região n-, do canal, da região n-, do canal, terminais de contato de terminais de contato de dreno e fonte (source).dreno e fonte (source).

Junção p-n- resulta num Junção p-n- resulta num diodo Di em anti-paralelo diodo Di em anti-paralelo com o sentido de com o sentido de condução dreno-source.condução dreno-source.

Tensão negativa dreno-Tensão negativa dreno-source polariza source polariza diretamente o diodo Didiretamente o diodo Di

Características On-stateCaracterísticas On-stateResistência On-stateResistência On-state

Quando o MOSFET de Potência está em on-state, este apresenta Quando o MOSFET de Potência está em on-state, este apresenta um comportamento resistivo entre os terminais do coletor e um comportamento resistivo entre os terminais do coletor e emissor. Pode ser visto na figura que essa resistência (chamada emissor. Pode ser visto na figura que essa resistência (chamada RRDSonDSon “resistência coletor para emissor em on-state”) é a soma de “resistência coletor para emissor em on-state”) é a soma de

várias contribuições elementárias:várias contribuições elementárias: RRSS é a resistência do emissor. é a resistência do emissor.

RRchch. Resistência do canal. . Resistência do canal.

RRaa é a resistência de acesso. é a resistência de acesso.

RRJFETJFET é o efeito da redução da célula. é o efeito da redução da célula.

RRnn é a resistência da camada epitaxial. é a resistência da camada epitaxial.

RRDD é o equivalente do R é o equivalente do RSS para o coletor. para o coletor.

Característica Estática Característica Estática do MOSFETdo MOSFET Entrada em Condução: VGS >> VGS(th) , 10 ≤ VGS ≤ 20Entrada em Condução: VGS >> VGS(th) , 10 ≤ VGS ≤ 20

Bloqueio : VGS < VGS(th)Bloqueio : VGS < VGS(th)

A resistência em Condução(RDSon) possui coeficiente de A resistência em Condução(RDSon) possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo de MOSFETS.de MOSFETS.

Circuito de Comando: possuem características de fonte de Circuito de Comando: possuem características de fonte de tensão, sendo mais simples do que BPT (comando com tensão, sendo mais simples do que BPT (comando com características de fonte de corrente).características de fonte de corrente).

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

Região de CorteRegião de Corte

O transistor permanece desligadoO transistor permanece desligado(Vgs < Vth);(Vgs < Vth);

Idealmente não há corrente entre o Idealmente não há corrente entre o dreno e a fonte (Vds < BVdss);dreno e a fonte (Vds < BVdss);

O MOSFET deve operar com Vds O MOSFET deve operar com Vds sempre menor que BVdss.sempre menor que BVdss.

Região de CorteRegião de Corte

Região AtivaRegião Ativa

O transistor fica ligado (Amplificador)O transistor fica ligado (Amplificador)

A corrente de dreno é relativamente A corrente de dreno é relativamente independente da tensão Vds, controlada independente da tensão Vds, controlada somente pela tensão Vgs da porta (G).somente pela tensão Vgs da porta (G).

Não é usada em aplicações de eletrônica de Não é usada em aplicações de eletrônica de potência. (Vds x Id)potência. (Vds x Id)

Região AtivaRegião Ativa

Região ÔhmicaRegião Ôhmica(região linear)(região linear)

Região de Interesse da disciplina, em Região de Interesse da disciplina, em que a corrente de dreno (Id) aumenta que a corrente de dreno (Id) aumenta diretamente proporcional a Vds.diretamente proporcional a Vds.

Como garantir que o MOSFET Como garantir que o MOSFET permaneça nessa região?permaneça nessa região?

(Para todos valores de Id)(Para todos valores de Id) O MOSFET opera como um resistor, O MOSFET opera como um resistor,

controlado pela tensão na comporta.controlado pela tensão na comporta.

Região ÔhmicaRegião Ôhmica(região linear)(região linear)

Características Características Dinâmicas do MOSFETDinâmicas 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).

Valores típicos para um MOSFET de 400V e 4A:Valores típicos para um MOSFET de 400V e 4A:

ttd(on)d(on) = 30ns ; t = 30ns ; tr(on) r(on) = 50ns ; t= 50ns ; td(off)d(off) = 10ns ; t = 10ns ; tff = 50ns = 50nsOs tempos fornecidos pelos fabricantes referem-se Os tempos fornecidos pelos fabricantes referem-se normalmente a cargas resistivas e a grandeza de referencia é normalmente a cargas resistivas e a grandeza de referencia é sempre a tensão. Os tempos de comutação dependem muito do sempre a tensão. Os tempos de comutação dependem muito do circuito de comando de gatilho empregado.circuito de comando de gatilho empregado.

ResumoResumo

MOSFETs possuem características de MOSFETs possuem características de reduzidos tempos durante as comutações reduzidos tempos durante as comutações (freqüências típicas de dezenas à centenas (freqüências típicas de dezenas à centenas de kHz).de kHz).

RDSon rapidamente aumenta com o RDSon rapidamente aumenta com o aumento de VDSmax suportável.aumento de VDSmax suportável.

Circuito de comando de gate muito simples.Circuito de comando de gate muito simples. A escolha dos MOSFETs normalmente são A escolha dos MOSFETs normalmente são

para aplicações com VDSmax < 500 V.para aplicações com VDSmax < 500 V. Aplicações de MOSFETs com capacidade de Aplicações de MOSFETs com capacidade de

bloqueio em torno de 1000 V são para bloqueio em torno de 1000 V são para baixas potências (não superior à 100 W).baixas potências (não superior à 100 W).

BJT x MOSFET x IGBTBJT x MOSFET x IGBT

MOSFETMOSFET IGBTIGBT BJTBJT

Tipo de comandoTipo de comando TensãoTensão TensãoTensão CorrenteCorrente

Potência do comandoPotência do comando MínimaMínima MínimaMínima GrandeGrande

Complexidade do Complexidade do comandocomando

SimplesSimples SimplesSimples MédiaMédia

Densidade de correnteDensidade de corrente Elevada em BT Elevada em BT e baixa em ATe baixa em AT

Muito Muito elevadaelevada

MédiaMédia

Perdas de comutaçãoPerdas de comutação Muito baixaMuito baixa Baixa para Baixa para médiamédia

Média para Média para altaalta