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 DoubleDiffused 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 drenosource 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
Tensão
Corrente
Potência do comando
Mínima
Mínima
Grande
Complexidade do
comando
Simples
Simples
Média
Densidade de corrente
Perdas de comutação
Elevada em BT e Muito elevada
baixa em AT
Muito baixa
Baixa para
média
Média
Média para
alta