MOSFET de Potncia Carlos Edson Flvio Jorge Luciano

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 200 V). 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 k. Hz); 2. Tensões muito baixas (< 500 V); 3. Potências baixas (< 1 k. W)

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 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 400 V e 4 A: td(on) = 30 ns ; tr(on) = 50 ns ; td(off) = 10 ns ; tf = 50 ns ØOs 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 k. Hz). • 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 Corrente Potência do comando Mínima Grande Complexidade do comando Simples Média Densidade de corrente Perdas de comutação Elevada em BT e Muito elevada baixa em AT Muito baixa Baixa para média Média para alta