Semicondutores: MOSFETs de potência

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Características dos MOSFETS de potência

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Semicondutores: MOSFETs de potência

  1. 1. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 1 Não concordo com o acordo ortográfico de
  2. 2. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 2  MOSFETs: 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 MOSFETs:  1. Frequências altas (acima de 50 kHz);  2. Tensões muito baixas (< 500 V);  3. Potências baixas (< 1 kW) .
  3. 3. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 3  MOSFETs : Quando usar MOSFETs… Reguladores comutados AC-DC, AC-AC, DC-AC, e Conversores DC-DC AC-DC 12 Vdc t 230 Vac t AC-AC 115 Vac 230Vac t t DC-AC 230 Vac 12 Vdc t DC-DC 12 Vdc 5 Vdc t t
  4. 4. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 4  O nome faz menção á sua estrutura interna: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET).  É um dispositivo unipolar: a condução deve-se só a um tipo de portadores.  Os usados em Electrónica de potência são de tipo: “Acumulação/Enriquecimento”. G D S Canal N Condução devida a electrões D G S Canal P Condução devida a lacunas ou buracos  Os mais usados são os MOSFETs de canal N.  A condução é devida aos electrões e, portanto, com maior mobilidade  menores resistências de canal em condução. Ideias gerais sobre o transistor de Efeito de Campo de Metal-Óxido-Semiconductor  MOSFETs
  5. 5. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 5  Curvas características del MOSFET ID [mA] VDS [V] 4 2 42 60  Curvas de saída Curvas de entrada: Não têm interesse (porta isolada do canal) VGS < VTH = 2V VGS = 2,5V VGS = 3V VGS = 3,5V VGS = 4V VGS = 4,5V Referências normalizadas + - VDS ID + - VGS G D S  MOSFETs Ideias gerais sobre os MOSFETs de Enriquecimento
  6. 6. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 6 ID [mA] VDS [V] 4 2 42 60 VGS = 2,5V VGS = 3V VGS = 3,5V VGS = 4V VGS = 4,5V VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V Comportamento resistivo VGS < VTH = 2V < 4,5V Comportamento como circuito aberto  Zonas de trabalho Comportamento como fonte de corrente  MOSFETs Ideias gerais sobre os MOSFETs de Enriquecimento 10V + - VDS ID + - VGS 2,5KW G D S  Curvas de saída
  7. 7. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 7 G D S DS G + P- Substrato N+ N+  Precauções no uso de transistores MOSFET O terminal da Porta (G), em aberto (ar), é muito sensível a ruídos. O óxido pode chegar a se perfurar pela electricidade estática dos dedos. Ás vezes se integram diodos zener de protecção. Existe um diodo parasita entre a Fonte (S) e o Dreno (D) nos MOSFETs de Enriquecimento.  MOSFETs: Ideias gerais sobre MOSFETs de enriquecimento…
  8. 8. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 8  São feitos de milhares de células colocadas em paralelo (Integrações são na ordem de 0,5 milhões por polegada quadrada).  Nos dispositivos FET (em geral) é fácil paralelizar células possíveis.  Estrutura vertical. Porta (G) Dreno (D) Fonte (S) n+ n- p n+ n+ Estructura planar (DMOS) Estructura em trincheira (V MOS) Dreno n+ n- pn+ PortaFonte G D S Estrutura dos MOSFETs de potência  MOSFETs: Estruturas de potência
  9. 9. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 9 MOSFET com Gate em trincheira (trench) (UMOSFET) Drain(D) N+ N- PN+ Source(S) Body Gate(G) MOSFET com extensão da Gate em trincheira (EXTFET) Drain N+ N- P N+ Source Body Gate Ligação Source-body • A tensão de ruptura é limitada a 25 V.  MOSFETs: Outras estruturas…
  10. 10. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 10 MOSFET com dopagem graduada (GD) e Gate em trincheira. Drain N+ N PN+ Source Body Gate Ligação Source-body  Também para baixa tensão (tensão de ruptura é de cerca de 50 V). ND-source ND-drain- ND-drain+ NA-body Doping Estrutura com carga acoplada na super-junção PN da região de deriva (CoolMOS TM) N+ N- N+ N+ P+ P- Drain Source Gate Body Ligação Source-body  3 vezes melhor para dispositivos de 600 - 800 V.  MOSFETs: Outras estruturas…
  11. 11. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 11 N+ N- P N+ N+ Drain Drift region Body Gate Source  MOSFETs: Estrutura tridimensional de um DMOS
  12. 12. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 12 Emissor N+ Camada n- subst r at o n+ P base Camada buf f er n+ G E C G S D E C G D S G Body diode  MOSFETs: Comparação entre MOSFET e IGBT de trincheira… MOSFETIGBT Camada n- Emissor n+ subst r at o p+ P base
  13. 13. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 13 MOSFET SCR Bipolar IGBT GTO Press Pack IGBT IEGT Motor ControlPower Control HVDC,FACT UPS Robot Welder Automotive SMPS Audio VCR Air-conditioned  MOSFETs Aplicações dos semicondutores de Potência
  14. 14. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 14 • Em geral, semelhantes ás dos diodos de potência (excepto encapsulados axiais). • Existe grande variedade. • Exemplos: MOSFET de 60V. RDS(on)=9,4mW, ID=12A RDS(on)=12mW, ID=57A RDS(on)=9mW, ID=93ARDS(on)=5,5mW, ID=86A RDS(on)=1.5mW, ID=240A  MOSFETs Encapsulados de MOSFETs de potência
  15. 15. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 15 • Outros exemplos de MOSFETs de 60V. RDS(on)=3.4mW, ID=90A  MOSFETs Encapsulados de MOSFETs de potência
  16. 16. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 16 1ª -Máxima tensão Dreno-Fonte. 2ª -Máxima corrente de Dreno. 3ª -Resistência em condução. 4ª -Tensões máximas de Porta e limiar. 5ª -Velocidade de comutação. 1ª Máxima tensão Dreno-Fonte  Corresponde á tensão de ruptura da união que formam o substrato (unido á Fonte) e o Dreno.  Mede-se com a Porta em curto com a Fonte . Especifica o correspondente pequeno fluxo de corrente (por exemplo, 0,25 mA).  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência
  17. 17. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 17 Baixa tensão 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V Média tensão 100 V 150 V 200 V 400 V Alta tensão 500 V 600 V 800 V 1000 V Exemplo de classificação  A máxima tensão Dreno-Fonte se representa como VDSS ou como V(BR)DSS  Ajuda a classificar os transistores MOSFET de potência.  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 1ª Máxima tensão Dreno-Fonte
  18. 18. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 18 • O fabricante fornece dois valores (pelo menos):  A corrente contínua máxima ID depende da temperatura da cápsula (mounting base) neste caso: A 100ºC, ID=23·0,7=16,1A  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 2ª Máxima corrente de Dreno -Corrente continua máxima ID. -Corrente máxima pulsada IDM.
  19. 19. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 19  É um dos parâmetros mais importantes no MOSFET. Quanto menor for, melhor é o dispositivo.  Se representa pelas letras RDS(on).  Para um dispositivo particular, aumenta com a temperatura.  Para um dispositivo particular, decresce com a tensão de Porta (G). Este decrescimento tem um limite. Drain-source On Resistance, RDS(on) (Ohms)  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 3ª Resistência em Condução
  20. 20. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 20  Comparando dispositivos distintos de valores de ID semelhantes, RDS(on) cresce com o valor de VDSS.  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 3ª Resistência em Condução
  21. 21. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 21  Nos últimos tempos têm-se melhorado substancialmente os valores de RDS(on) em dispositivos de VDSS relativamente alta (600-1000 V). MOSFET dos anos 2000’s MOSFET de 1984  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 3ª Resistência em Condução
  22. 22. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 22  A tensão Porta-Fonte VGS, deve alcançar um valor limiar para que comece a haver condução entre Dreno e Fonte.  Os fabricantes definem a tensão limiar VGS(TO) ou (VT), como a tensão Porta-Fonte para a qual a corrente de Dreno é 0,25 mA, ou 1 mA.  As tensões limiares (VT), devem estar na margem de 2-4 V.  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate
  23. 23. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 23  A tensão limiar altera com a temperatura.  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate
  24. 24. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 24  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate •A máxima tensão suportável entre Gate e Source (VGS) é tipicamente de ± 20V.
  25. 25. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 25  Os MOSFETs de potência são mais rápidos que outros dispositivos usados em electrónica de potência (tiristores, transistores bipolares, IGBT, etc.)  Os MOSFETs de potência são dispositivos de condução unipolar. Neles, os níveis de corrente conduzida não estão associados ao aumento da concentração de portadores minoritários, que são difíceis de eliminar para que o dispositivo deixe de conduzir.  A limitação da rapidez está associada á carga das capacidades parasitas do dispositivo.  Há, essencialmente três: - Cgs, capacidade linear. - Cds, capacidade de transição Cds k/(VDS)1/2 - Cdg, capacidade Miller, não linear, muito importante. Cds Cdg Cgs  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação S D G
  26. 26. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 26 - Ciss = Cgs + Cgd com Vds=0 ( capacidade de entrada). - Crss = Cdg (capacidade Miller). - Coss = Cds + Cdg ( capacidade de saída). Ciss Coss  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação  Os fabricantes de MOSFETS de potência fornecem informação de três capacidades distintas das anteriores, mas relacionadas com elas: Cgs Cdg S D G Cds
  27. 27. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 27  Exemplo de informação dos fabricantes: Ciss = Cgs + Cgd Crss = Cdg Coss = Cds + Cdg  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação
  28. 28. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 28 V1 R C Carga e descarga de um condensador sobre uma resistência  A carga e a descarga destas capacidades parasitas, geram perdas que condicionam as frequências máximas de comutação dos MOSFETs de potência.  Na carga de C: - Energia perdida em R = 0,5CV1 2 - Energia armazenada em C = 0,5CV1 2  Na descarga de C: - Energia perdida em R = 0,5CV1 2  Energia total perdida: CV1 2 = V1QCV1  Além disso, em geral, estas capacidades parasitas atrasam as variações de tensão, ocasionando em muitos circuitos, desfasamentos entre tensão e corrente, o que implica perdas no processo de comutação.  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação
  29. 29. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 29 - Com carga indutiva.  - Com diodo de travamento  - Supondo diodo ideal. V1 R V2 IL  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação Cdg Cds Cgs • Análise de uma comutação típica em conversão de energia:
  30. 30. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 30  Situação inicial: - Transistor sem conduzir (em bloqueio) e diodo em condução. - Portanto:  VDG = V2, vDS = V2 e vGS = 0  iDT = 0 e iD = IL + - vDS vGS + - + - VDG iD B A  - Nesta situação, o interruptor passa de “B” para “A” …. + - V1 R V2 IL Cdg Cds Cgs + -  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação iDT
  31. 31. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 31 • iDT = 0 até que vGS = VGS(TO) •vDS = V2 até que iDT = IL VGS(TO) vDS iDT vGS BA IL Declive determinado por R, Cgs e por Cdg(V2) + - vDS vGS + - + - VDG iD B A + - V1 R V2 IL Cdg Cds Cgs + - iDT  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação
  32. 32. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 32  A corrente de V1 através de R é usado fundamentalmente na descarga de Cdg  praticamente não circula corrente por Cgs VGS = Cte. + - vDS vGS + - + - VDG B A V1 R V2 IL Cdg Cds Cgs iDT VGS(TO) vDS iDT vGS BA IL  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação
  33. 33. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 33 VGS(TO) vDS iDT vGS BA IL  Cgs e Cdg estão em série V1 Constante de tempo determinada por R, Cgs e por Cdg(V1) + - vDS vGS + - + - VDG B A V1 R V2 IL Cdg Cds Cgs iDT  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação
  34. 34. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 34 - Há que carregar Cgs (grande) e descarregar Cdg (pequena) VM . - Há coexistência de tensão e corrente entre t1 e t2. iDT + - vDS vGS + - Cdg Cgs Cds V2 + - + - + - iDT t0 t1 t2 t3 VGS(TO) vDS iDT vGS BA IL V1 VM PVI  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação  Valoração das perdas entre t0 e t2:
  35. 35. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 35 - Há que descarregar Cds até 0 e inverter a carga de Cdg desde V2-VM até -VM . - Há coexistência de tensão e corrente entre t2 e t3. iDT = IL + - vDS vGS + - Cdg Cgs Cds+ - + - + - IL iCds iCdg+iCds+IL iCdg t0 t1 t2 t3 VGS(TO) vDS iDT vGS BA IL VM PVI  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação  Valoração das perdas entre t2 e t3: V1
  36. 36. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 36 - Há que acabar de carregar Cgs e Cdg até V1 . - Não há coexistência de tensão e corrente, salvo a própria das perdas de condução. t0 t1 t2 t3 VGS(TO) vDS iDT vGS BA IL PVI  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência  Valoração das perdas depois de t3:5ª Velocidade de Comutação iDT = IL + - vDS vGS + - Cdg Cgs Cds+ - + - + - IL IL iCdg V1 VM
  37. 37. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 37 A corrente fornecida pela Fonte V1 é aproximadamente constante entre t0 e t3 (inicio de uma exponencial, com IV1 V1/R). De t0 a t2, a corrente IV1 é essencialmente para carregar Cgs. Que fornece uma carga eléctrica Qgs . De t2 a t3, a corrente Iv1 inverte a carga de Cdg. Que adiciona mais uma carga eléctrica Qdg . As carga são fornecidas até que VGS = V1. Qg é o valor total (incluindo Qgs e Qdg) Para um determinado sistema de controlo (V1 e R), quanto menores forem Qgs, Qdg e Qg mais rápido será o transistor. Obviamente que t2-t0  QgsR/V1, t3-t2  QdgR/V1 e PV1 = V1QgfS, sendo fS a frequência de comutação. vGS iV1 V1 iV1 R Qgs Qdg Qg  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência  Valoração da rapidez de um dispositivo pela “Carga de Porta” 5ª Velocidade de Comutação t0 t2 t3
  38. 38. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 38 IRF 540 MOSFEtS dos anos 2000s BUZ80 MOSFETs de 1984  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação  Valoração da rapidez de um dispositivo pela “Carga de Porta”: Informação dada pelos fabricantes:
  39. 39. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 39  Outro tipo de informação fornecida pelos fabricantes: comutação com carga resistiva. VDS VGS 10% 90% trtd on tftd off td on : atraso de arranque. tr : tempo de subida. td off : atraso de desligamento. tf : tempo de descida. + - vDS iDT + - vGS G D S+ RG RD  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação
  40. 40. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 40 IRF 540 + - vDS iDT + - vGS G D S+ RG RD  Outro tipo de informação fornecida pelos fabricantes: comutação com carga resistiva.  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência 5ª Velocidade de Comutação td on : atraso de arranque. tr : tempo de subida. td off : atraso de desligamento. tf : tempo de descida.
  41. 41. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 41 vDS iDT vGS PVI Perdas em condução Perdas em comutação Pcond = RDS(on)iDT(rms) 2 Won Woff Pcomt = fS(won + woff)  Perdas por coexistência de Tensão e corrente entre Dreno (D) e Fonte (S)  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência
  42. 42. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 42 vGS iV1 t0 t2 t3 Qgs Qdg Qg PV1 = V1QgfS V1 iV1 R Circuito teórico V1 iV1 RB Circuito real  Perdas na fonte de controlo  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência
  43. 43. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 43 O Diodo Parasita tende a ter características pobres, particularmente nos MOSFETs de alta tensão. G D S IRF 540  Perdas na fonte de controlo  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência
  44. 44. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 44  Diodo parasita num MOSFET de alta tensão  MOSFETs Características fundamentais dos MOSFETs de potência
  45. 45. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 45  Este fabricante denomina “mounting base” ao encapsulamento e fornece a informação de RTHja = RTHjc + RTHca  Tudo o que foi dito, é válido para diodos de Potência  MOSFETs Características térmicas dos MOSFETs de potência
  46. 46. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 46 Diodos  MOSFETs Diodos e MOSFETs de Potência MOSFETs
  47. 47. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 47 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 BJT x MOSFET x IGBT  MOSFETs
  48. 48. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 48
  49. 49. Semicondutores de Potência: MOSFETs 14-04-2014 Por : Luís Timóteo 49 Bibliografias http://www.unioviedo.es/sebas/

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