MOSFET de Potência

CarlosEdsonFlávioJorge

LucianoRafael

Welinton

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)

Região de Operação

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.

Estrutura Básica

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.

O MOSFET bloqueado

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

• Resistência elevada (grande área de depleção)

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

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.

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).

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

Região de Corte

• O transístor permanece desligado.• Não há condução entre o dreno e a fonte

(corrente entre o dreno e fonte deve idealmente ser zero).

• Há uma fraca corrente invertida.

Região de Triodo (ou região linear)

• O transistor é ligado• Fluxo de corrente entre o dreno e fonte.

• O MOSFET opera como um resistor, controlado pela tensão na comporta.

Região de Saturação

• O transístor fica ligado• Tensão de dreno é maior do que a tensão na

comporta: uma parte do canal é desligado.• A corrente de dreno é agora relativamente

independente da tensão de dreno, controlada somente pela tensão da comporta.

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).

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.

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).

BJT x MOSFET x IGBT

MOSFET IGBT BJT

Tipo de comando Tensão Tensão Corrente

Potência do comando Mínima Mínima Grande

Complexidade do comando

Simples Simples Média

Densidade de corrente Elevada em BT e baixa em AT

Muito elevada Média

Perdas de comutação Muito baixa Baixa para média

Média para alta