MOSFET de Pot

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 (lt 500 V)
• 3. Potências baixas (lt 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
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.

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-stateResistência 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.

10
Característica Estática do MOSFET

• Entrada em Condução VGS gtgt VGS(th) , 10 VGS
  20
• Bloqueio VGS lt 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 constanteB 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
(No Transcript)
17

• 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.

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 lt 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
MOSFET IGBT BJT
Tipo de comando Tensão Tensão Corrente
Potência do comando Mínima Mínima Grande
Complexidade do comando Simples Simples Média
Densidade de corrente Elevada em BT e baixa em AT Muito elevada Média
Perdas de comutação Muito baixa Baixa para média Média para alta