Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistores MosFet de Potência
1. O controle do transistor MosFet é feito aplicando-se uma tensão VGS > VTH
para condução e VGS < VTH para bloqueio;
2. A tensão de “threshold” VTH 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 VGS é de +20V e a mínima é de -20V;
7. 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;
8. Quanto maior a tensão de ruptura do MosFet, maior o valor do resistor rdson;
9. No processo de fabricação aparece um diodo em anti-paralelo com o
transistor que apresenta um tempo de recuperação elevado;
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1
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor Mosfet – Características principais
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
RDSon
Quanto menor a resistência,
melhor o transistor
D
O diodo intrínseco é lento.
Ele pode ser eliminado com
dois diodos externos
G
S
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2
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor Mosfet – Características principais
D
Cg
Cds
d
VDS
Os catálogos dos fabricantes
fornecem os valores de Ciss, Crss
e Coss.
G
S
VGS
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
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QGD
3
Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
Valores típicos de VTH : 3 a 5 V
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: ±20 V
D
G
Ordem de grandeza: nF
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(Ciss)
S
4
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistores IGBT
1. O controle do transistor IGBT é feito aplicando-se uma tensão VGE > VTH
para condução e VGE < VTH para bloqueio;
2. A tensão de “threshold” VTH 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 VGE 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 VCE é positivo o que simplifica o
paralelismo destes IGBTs;
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5
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor IGBT – Características principais
C
VCE
G
VGE
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
E
Os transistores NPN e PNP
formam um tiristor parasita
O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é
compatível com os tempos de comutação do IGBT.
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6
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Transistor IGBT – Características principais
Como a condução é feita por portadores minoritários, aparece uma
cauda de corrente no momento do bloqueio do transistor IGBT
“Current tail”
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7
Fontes de alimentação c.c.-c.a
MosFet x IGBT
MOSFET
1. Condução portadores majoritários
IGBT
1. Condução portadores minoritários
•
Menor queda de tensão
•
Maior queda de tensão
•
Nenhum atraso devido ao
tempo de vida dos portadores
•
Saturação dinamica e cauda de
corrente
•
Conduz em ambas direções
•
Conduz apenas em um sentido
•
Comportamento resistivo na
condução
•
Comportamento não linear na
condução
2. Diodo Intrinseco
•
2. Ausência de diodo intrínseco
Elevado tempo de recuperação
3. Boa capacidade de Avalanche
3. Não suporta Avalanche
4. Não é a prova de curto-circuito
4. Geralmente a prova de curto-circuito
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8
Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Regras para comando de transistores
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 dVce/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 5W 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.
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Disparo do transistor
Formas de onda mais significativas no disparo
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Disparo do transistor
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
12
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Bloqueio do transistor
Formas de onda mais significativas no bloqueio
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
13
Fontes de alimentação c.c.-c.a
Bloqueio do transistor
Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento do circuito de comando
Transistor MosFet
VDRV
vGS(t)
A potência da fonte do
circuito de comando é dada
pela expressão:
Pg  VDRV * QG * f
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Dimensionamento do circuito de comando
Transistor IGBT
VGEon
vGE(t)
VGEoff
A potência da fonte do circuito de
comando é dada pela expressão:
Pg  ( VGE )* ( Q )* f
VGE  VGE ( on )  VGE ( off )
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Comando de transistores MosFet e IGBT
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
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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.
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“Gate Drive” sem isolamento
Emprego da técnica de “Level Shift”
Problema: Limite dos tempos máximo e mínimo de condução do transistor
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“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”.
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“Gate Drive” sem isolamento
Circuito auxiliar para carga inicial do capacitor de “Bootstrap” através de
Dstart. Rstart e Dz
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT
1. Configuração “Totem-pole” com transistor bipolar ou Mosfet
Configuração com BJT
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Configuração com Mosfet
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“Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT
2. Configuração com desligamento automático
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“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
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
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.
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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.
270A * ton
C
6 ,5V
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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
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
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
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Proteção de curto-circuito
Proteção por medição de corrente
O
SenseFet
possui
um
terminal através do qual é
possível medir a corrente do
transistor.
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
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 VCE ou VDS
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.
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Proteção de curto-circuito
Tipo 1
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Proteção de curto-circuito
Tipo 2
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Proteção de curto-circuito
Soluções:
1. Na presença de um curtocircuito, limitar a derivada da
corrente de gate no momento
de
desligamento
do
transistor.
2. Na presença de um curtocircuito, reduzir inicialmente a
tensão VGS ou VGE, de modo
a reduzir a corrente de curtocircuito e depois bloqueiar
rapidamente o transistor.
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Proteção de curto-circuito
Aumento do resistor de “Gate” durante o bloqueio devido a atuação
da detecção de dessaturação do transistor
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“dV/dt Coupled Shoot Through”
I DV / DT  CGD
dV
dt
Quanto maior a derivada
da tensão nos terminais
do transistor, maior é a
corrente IDV/DT. Se a
tensão VGS atingir o valor
de “threshold” o transistor
pode entrar em condução
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“dV/dt Coupled Shoot Through”
Soluções:
1. Baixar a impedância de
saída
do
driver
dos
transistores (Rdriver);
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
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“Aplicação de optoacopladores”
Optoacopladores convencionais não possuem blindagem de Faraday e não
são adequados a aplicações de comando de transistores MosFets e IGBTs.
VE
Quando o transistor comuta,
VE muda bruscamente de
potencial
Capacitâncias parasitas de acoplamento
Esta corrente é subtraida da
corrente foto-induzida, causando
instabilidade e possibilidade de
oscilação
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
“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.
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Fontes de alimentação c.c.-c.a
Referências
1. Site do prof. Javier Sebastián Zúñiga, Universidade de Oviedo, Curso de
Sistemas de Alimentación, http://www.uniovi.es/ate/sebas/
2. Site da Semikron, http://www.semikron.com
3. “Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits”,
Lazlo Balogh, http://focus.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf
4. “CDV/DT Induced Turn-on in Synchronous Buck Regulators”, Thomas Wu,
http://www.irf.com/technical-info/whitepaper/syncbuckturnon.pdf
5. “Drive Circuits for Power MOSFET and IGBTs”, B. Maurice & L. Wuidart,
http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/3703.pdf
6. “MOSFET/IGBT Drivers Theory and Applications”, Abhijit D. Pathak,
http://www.ixysrf.com/pdf/switch_mode/appnotes/5mosfet_driver_theory_and_a
pplications.pdf
7. “Using Monolithic High Voltage Gate Drivers”, A. Merello & A. Rugginenti & M.
Grasso, http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt04-4.pdf
8. “IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor) Differences between MOSFET and
IGBT”,
http://paginas.fe.up.pt/~fff/Homepage/Ficheiros/Siemens_IGBT_caract.pdf
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