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MOSFET de Potência Carlos Edson Flávio Jorge Luciano Rafael Welinton.

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1 MOSFET de Potência Carlos Edson Flávio Jorge Luciano Rafael Welinton

2 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)

3 Região de Operação

4 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.

5 Estrutura Básica

6 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.

7 O MOSFET bloqueado Junção P-n- reversamente polarizada (sem tensão de gate). Resistência elevada (grande área de depleção )

8 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

9 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 R DSon resistência coletor para emissor em on-state) é a soma de várias contribuições elementárias: R S é a resistência do emissor. R ch. Resistência do canal. R a é a resistência de acesso. R JFET é o efeito da redução da célula. R n é a resistência da camada epitaxial. R D é o equivalente do R S para o coletor.

10 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).

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

12 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.

13 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.

14 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.

15 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).

16

17 Valores típicos para um MOSFET de 400V e 4A: t d(on) = 30ns ; t r(on) = 50ns ; t d(off) = 10ns ; t f = 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.

18 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).

19 BJT x MOSFET x IGBT MOSFETIGBTBJT Tipo de comandoTensão Corrente Potência do comandoMínima Grande Complexidade do comando Simples Média Densidade de correnteElevada em BT e baixa em AT Muito elevadaMédia Perdas de comutaçãoMuito baixaBaixa para média Média para alta


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