Circuitos eletronicos de potencia - mosfet

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 (< 500 V);
3. Potências baixas (< 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-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.

10. 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).

11. A = Região de resistência constante;
B = 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).

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 < 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