MOSFET de Potência

MOSFET de Potência
Carlos
Edson
Flávio
Jorge
Luciano
Rafael
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 drenosource polariza diretamente
o diodo Di
Características On-state
Resistência 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 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.
Região de Corte
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)
Região Ativa
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.
Região Ôhmica
(região linear)
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