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 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 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 Muito elevada Média Baixa para média Média para alta Densidade de corrente Elevada em BT e baixa em AT Perdas de comutação Muito baixa