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

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

Transistor Mosfet – Características principais Efeito Miller Ao carregar o capacitor de “Gate” ocorre uma alteração da impedância do capacitor Ciss, devido a Crss. VGS Forma de onda da tensão VGS QGD D G S Cds Cgd VDS Transistor Mosfet – Características principais Os catálogos dos fabricantes fornecem os valores de Ciss, Crss e Coss. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 3

Transistor Mosfet – Características principais O transistor MosFet conduz se for aplicada uma tensão VGS > VTH e cessa a condução se VGS < VTH Threshold voltage: VTH Existe um valor máximo de tensão VGS 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 VTH : 3 a 5 V Valores típicos: ±20 V Ordem de grandeza: nF Transistor Mosfet – Características principais (Ciss) D G S Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 4

Transistores IGBT O controle do transistor IGBT é feito aplicando-se uma tensão VGS > VTH para condução e VGS < VTH para bloqueio; A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 5V; A impedância de entrada de um transistor IGBT é muito elevada; A condução é feita por portadores minoritários; A máxima tensão VGS é de +20V e a mínima é de -20V; Geralmente, o transistor IGBT é comandado com uma tensão de +15V para condução e uma tensão negativa menor que -5V para o bloqueio. 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; 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 VDS é positivo o que simplifica o paralelismo destes IGBTs; Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 5

Transistor IGBT – Características principais VGE G E C VCE 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 6

Transistor IGBT – Características principais “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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 7

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

MosFet x IGBT Para barramentos de baixa tensão (10 a 150V) – MosFet são a melhor opção As perdas de condução dos transistores IGBTs são muito maiores 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 Para barramentos de tensão superiores a 400V – IGBT são a melhor opção Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 9

Regras para comando de transistores 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; Adaptar a impedância de saída do “driver” de modo a limitar o dVce/dt no bloqueio, i.e. fornecendo um controle da corrente de efeito Miller; A resistencia total do circuito de “gate” deve ser menor que 5W de modo a amortecer e evitar oscilações entre o “driver” e a capacitância de entrada do transistor no momento do bloqueio; 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; 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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 10

Formas de onda mais significativas no disparo Disparo do transistor Formas de onda mais significativas no disparo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 11

Bloqueio do transistor Formas de onda mais significativas no bloqueio Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 12

Dimensionamento circuito de comando Transistor MosFet VDRV vGS(t) A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão: Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 13

Dimensionamento circuito de comando Transistor IGBT VGEon vGE(t) VGEoff A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão: Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 14

Comando de transistores MosFet e IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 15

Isolamento do “Gate Drive” Através de acopladores óticos ou fibra ótica Problema: Fonte de alimentação para o lado isolado; Limite da frequência de chaveamento Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 16

Isolamento do “Gate Drive” 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. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 17

“Gate Drive” sem isolamento Emprego da técnica de “Bootstrap” Problema: Limite dos tempos máximo e mínimo de condução do transistor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 18

“Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT Configuração “Totem-pole” com transistor bipolar ou Mosfet Configuração com BJT Configuração com Mosfet Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 19

“Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT Configuração com desligamento automático Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20

“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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 21

Proteção de curto-circuito Não há como proteger os transistores Mosfet e IGBT contra curto-circuito empregando fuzíveis. A energia nessária para queimar um transistor é muito menor que a energia necessária para a abertura do fuzível. Proteção ativa: Medição da corrente atravessando o transistor através de um sensor de corrente ou shunt; Medição da queda de tensão nos terminais do transistor, verificando a desaturação do transistor. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 22

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 ton Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 23

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 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 24

Proteção de curto-circuito Proteção por medição de corrente O SenseFet possui um terminal através do qual é possível medir a corrente do transistor. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 25

Proteção de curto-circuito Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 26

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G S D Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 43