Carlos Edson Flávio Jorge Luciano Rafael Welinton 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 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)

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 dreno-source 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 400V e 4A: td(on) = 30ns ; tr(on) = 50ns ; td(off) = 10ns ; tf = 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.

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).

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