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Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Transistores MosFet de Potência 1.O controle do transistor MosFet é feito aplicando-se.

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1 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Transistores MosFet de Potência 1.O controle do transistor MosFet é feito aplicando-se uma tensão V GS > V TH para condução e V GS < V TH para bloqueio; 2.A tensão de threshold V TH é da ordem de uns 3V a 4V; 3.A impedância de entrada de um transistor MosFet é muito elevada; 4.O MosFet de Potência é constituido de muitas células conectadas em paralelo; 5.A condução é feita por portadores majoritários; 6.A máxima tensão V GS é de +20V e a mínima é de -20V; 7.Em condução, o MosFet se comporta como um resistor com coeficiente de temperatura positivo ( r dson ) e o valor deste resistor depende da amplitude de V GS ; 8.Quanto maior a tensão de ruptura do MosFet, maior o valor do resistor r dson ; 9.No processo de fabricação aparece um diodo em anti-paralelo com o transistor que apresenta um tempo de recuperação elevado;

2 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 2 Transistor Mosfet – Características principais Quanto menor a resistência, melhor o transistor O parâmetro mais importante do MosFet é a resistencia do canal R DSon. Este parâmetro esta relacionado com a tensão de ruptura e a capacidade de corrente do transistor. V DS R DSon IDID O diodo intrínseco é lento. Ele pode ser eliminado com dois diodos externos G S D

3 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 3 Efeito Miller Ao carregar o capacitor de Gate ocorre uma alteração da impedância do capacitor C iss, devido a C rss. V GS Forma de onda da tensão V GS Q GD D G S C ds CgdCgd V GS V DS Transistor Mosfet – Características principais Os catálogos dos fabricantes fornecem os valores de C iss, C rss e C oss.

4 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 4 O transistor MosFet conduz se for aplicada uma tensão V GS > V TH e cessa a condução se V GS < V TH Threshold voltage: V TH Existe um valor máximo de tensão V GS que pode ser aplicada ao MosFet acima da qual ocorre destruição do transistor. O circuito equivalente entre o Gate e o Source pode ser modelado como um capacitor. Valores típicos de V TH : 3 a 5 V Valores típicos: ±20 V Ordem de grandeza: nF Transistor Mosfet – Características principais (C iss ) D G S

5 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 5 Transistores IGBT 1.O controle do transistor IGBT é feito aplicando-se uma tensão V GE > V TH para condução e V GE < V TH para bloqueio; 2.A tensão de threshold V TH é da ordem de uns 3V a 5V; 3.A impedância de entrada de um transistor IGBT é muito elevada; 4.A condução é feita por portadores minoritários; 5.A máxima tensão V GE é de +20V e a mínima é de -20V; 6.Geralmente, o transistor IGBT é comandado com uma tensão de +15V para condução e uma tensão negativa menor que -5V para o bloqueio. 7.No processo de fabricação não aparece o diodo em anti-paralelo com o transistor. Quando presente, trata-se de um diodo com características compatíveis com os tempos de chaveamento do IGBT; 8.Há dois tipos construtivos de IGBT: PT (Punch Through) e NPT (Non Punch Through). Nos transistores do tipo NPT, o coeficiente de temperatura da queda de tensão V CE é positivo o que simplifica o paralelismo destes IGBTs;

6 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 6 Transistor IGBT – Características principais V GE G E C V CE Possui características de transistor MosFet na entrada e de transistor Bipolar na saída O comando de um transistor IGBT é similar ao de um transistor Mosfet O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é compatível com os tempos de comutação do IGBT. Os transistores NPN e PNP formam um tiristor parasita

7 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 7 Current tail Como a condução é feita por portadores minoritários, aparece uma cauda de corrente no momento do bloqueio do transistor IGBT Transistor IGBT – Características principais

8 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 8 MosFet x IGBT MOSFET 1.Condução portadores majoritários Menor queda de tensão Nenhum atraso devido ao tempo de vida dos portadores Conduz em ambas direções Comportamento resistivo na condução 2.Diodo Intrinseco Elevado tempo de recuperação 3.Boa capacidade de Avalanche 4.Não é a prova de curto-circuito IGBT 1.Condução portadores minoritários Maior queda de tensão Saturação dinamica e cauda de corrente Conduz apenas em um sentido Comportamento não linear na condução 2.Ausência de diodo intrínseco 3.Não suporta Avalanche 4.Geralmente a prova de curto-circuito

9 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 9 MosFet x IGBT 1.Para barramentos de baixa tensão (10 a 150V) – MosFet são a melhor opção As perdas de condução dos transistores IGBTs são muito maiores 2.Para barramentos de tensão intermediária (170 a 400V): MosFet são a melhor opção para potências menores que 250W IGBT são a melhor opção para potências maiores que 250W 3.Para barramentos de tensão superiores a 400V – IGBT são a melhor opção

10 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 10 1.A impedância de saída do driver deve ser baixa o suficiente para permitir um pico de corrente de modo a carregar a descarregar a capacitância de entrada do transistor; 2.Adaptar a impedância de saída do driver de modo a limitar o dV ce /dt no bloqueio, i.e. fornecendo um controle da corrente de efeito Miller; 3.A resistencia total do circuito de gate deve ser menor que 5 de modo a amortecer e evitar oscilações entre o driver e a capacitância de entrada do transistor no momento do bloqueio; 4.As conexões entre o driver e o transistor devem ser curtas e não indutivas. Usar o terminal Kelvin do emissor (source) para evitar os efeitos devidos ao di/dt no terminal do emissor (source) de potência; 5.A impedância de saída do driver deve ser muito baixa durante o bloqueio para absorver a corrente de efeito Miller induzida pelo dV/dt aplicado a outros dispositivos. Regras para comando de transistores

11 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 11 Disparo do transistor Formas de onda mais significativas no disparo

12 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 12 Disparo do transistor

13 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 13 Bloqueio do transistor Formas de onda mais significativas no bloqueio

14 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 14 Bloqueio do transistor

15 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 15 Dimensionamento do circuito de comando Transistor MosFet A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão: V DRV v GS (t)

16 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 16 Dimensionamento do circuito de comando Transistor IGBT V GEon v GE (t) V GEoff A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão:

17 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 17 Comando de transistores MosFet e IGBT

18 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 18 Isolamento do Gate Drive 1.Através de acopladores óticos ou fibra ótica Problema: Fonte de alimentação para o lado isolado; Limite da frequência de chaveamento

19 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 19 Isolamento do Gate Drive 2.Através de transformadores de pulso Problema: Desmagnetização do transformador Limita o tempo de condução dos transistores a no máximo 50% do período. Interessante quando os transistores comutam em alta frequência O comando e a energia para o lado isolado são fornecidos pelo transformador, permitindo os transistores conduzirem mais de 50% do período. Interessante em aplicações com baixa frequência de chaveamento.

20 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20 Gate Drive sem isolamento Emprego da técnica de Level Shift Problema: Limite dos tempos máximo e mínimo de condução do transistor

21 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 21 Gate Drive sem isolamento Alimentação do circuito de comando empregando a técnica de Bootstrap A carga do capacitor que alimenta o circuito de comando do transistor superior, é feita através do interruptor inferior e do diodo de Bootstrap.

22 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 22 Gate Drive sem isolamento Circuito auxiliar para carga inicial do capacitor de Bootstrap através de D start. R start e D z

23 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 23 Gate Drive dos transistores MosFet e IGBT 1.Configuração Totem-pole com transistor bipolar ou Mosfet Configuração com BJTConfiguração com Mosfet

24 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 24 Gate Drive dos transistores MosFet e IGBT 2.Configuração com desligamento automático

25 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 25 Gate Drive dos transistores MosFet e IGBT Quanto menor o resistor de gate, menor o tempo de chaveamento da tensão, mas o valor do resistor não afeta a cauda da corrente no transistor IGBT

26 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 26 Proteção de curto-circuito Não há como proteger os transistores Mosfet e IGBT contra curto-circuito empregando fusíveis. A energia nessária para queimar um transistor é muito menor que a energia necessária para a abertura do fusível. Proteção ativa: 1.Medição da corrente atravessando o transistor através de um sensor de corrente ou shunt; 2.Medição da queda de tensão nos terminais do transistor, verificando a desaturação do transistor.

27 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 27 Proteção de curto-circuito Proteção por desaturação A grande maioria dos circuitos integrados de acionamento de transistores Mosfet e IGBT utiliza a deteção de desaturação como mecanismo de proteção contra curto-circuito. A tensão nos terminais do transistor, a menos da queda de tensão em D1, é medida e comparada com Vref. Se esta tensão ultrapassar o valor de Vref, o transistor é bloqueado. No início da condução, a proteção é inibida, para permitir que a tensão nos terminais do transistor atinja o valor de saturação. Geralmente, o tempo de inibição, é um pouco superior ao tempo de ligamento do transistor t on

28 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 28 Proteção de curto-circuito Proteção por medição de corrente Medição da corrente através de um resistor shunt e um pequeno filtro para retirar o ruído de medição

29 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 29 Proteção de curto-circuito Proteção por medição de corrente O SenseFet possui um terminal através do qual é possível medir a corrente do transistor.

30 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 30 Proteção de curto-circuito Durante o curto-circuito, a corrente no transistor pode alcançar valores de 6 a 10 vezes a corrente nominal. Se a indutância do barramento c.c. for elevada, durante o bloqueio do transistor aparece uma sobretensão V CE ou V DS sobre o transistor que pode danifica-lo. Existem dois tipos de curto-circuito: 1.O transistor é ligado com a carga em curto-circuito; 2.O transistor é ligado em condições normais e depois acontece o curto-circuito da carga.

31 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 31 Proteção de curto-circuito Tipo 1

32 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 32 Proteção de curto-circuito Tipo 2

33 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 33 Proteção de curto-circuito Soluções: 1.Na presença de um curto- circuito, limitar a derivada da corrente de gate no momento de desligamento do transistor. 2.Na presença de um curto- circuito, reduzir inicialmente a tensão V GS ou V GE, de modo a reduzir a corrente de curto- circuito e depois bloqueiar rapidamente o transistor.

34 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 34 Proteção de curto-circuito Aumento do resistor de Gate durante o bloqueio devido a atuação da detecção de dessaturação do transistor

35 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 35 dV/dt Coupled Shoot Through Quanto maior a derivada da tensão nos terminais do transistor, maior é a corrente I DV/DT. Se a tensão V GS atingir o valor de threshold o transistor pode entrar em condução

36 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 36 dV/dt Coupled Shoot Through Soluções: 1.Baixar a impedância de saída do driver dos transistores (R driver ); 2.Usar uma tensão negativa para garantir o bloqueio do transistor. A máxima tensão devido ao dV/dt é igual a tensão negativa mais a tensão de threshold. Sobretensão devido ao dV/dt elevado nos terminais do transistor

37 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 37 Aplicação de optoacopladores Optoacopladores convencionais não possuem blindagem de Faraday e não são adequados a aplicações de comando de transistores MosFets e IGBTs. Esta corrente é subtraida da corrente foto-induzida, causando instabilidade e possibilidade de oscilação VEVE Capacitâncias parasitas de acoplamento Quando o transistor comuta, V E muda bruscamente de potencial

38 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 38 Aplicação de optoacopladores Blindagem de Faraday Blindagem ótica transparente e eletricamente condutiva Esta blindagem forma um plano equipotencial para o fotodiodo, forçando toda a tensão de dv/dt de modo comum aparecer entre a blindagem e o led. A corrente injetada não circula pelo fotodiodo.

39 Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 39 Referências 1.Site do prof. Javier Sebastián Zúñiga, Universidade de Oviedo, Curso de Sistemas de Alimentación, 2.Site da Semikron, 3.Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits, Lazlo Balogh, 4.CDV/DT Induced Turn-on in Synchronous Buck Regulators, Thomas Wu, 5.Drive Circuits for Power MOSFET and IGBTs, B. Maurice & L. Wuidart, 6.MOSFET/IGBT Drivers Theory and Applications, Abhijit D. Pathak, pplications.pdf pplications.pdf 7.Using Monolithic High Voltage Gate Drivers, A. Merello & A. Rugginenti & M. Grasso, 8.IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor) Differences between MOSFET and IGBT,


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