Semicondutores mosfetsdepotncia-antonio inacio ferraz escola senai e colegio técnico eletricidade/eletronica e estudante de direito na Unip Assis sp

Semicondutores de Potência: MOSFETs
29/12/2015 Por : Luís Timóteo 1
Não concordo com o acordo ortográfico
de

 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) .

 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

 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

 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

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

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…

 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

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…

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…

N+
N-
P
N+
N+
Drain
Drift region
Body
Gate
Source
 MOSFETs: Estrutura tridimensional de um DMOS

Emissor N+
Camada n-
substrato n+
P base
Camada buffer 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+
substrato p+
P base

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

• 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

• Outros exemplos de MOSFETs de 60V.
RDS(on)=3.4mW, ID=90A
 MOSFETs
Encapsulados de MOSFETs de potência

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

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
1ª Máxima tensão Dreno-Fonte

• 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
2ª Máxima corrente de Dreno
-Corrente continua máxima ID.
-Corrente máxima pulsada IDM.

 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
3ª Resistência em Condução

 Comparando dispositivos distintos de valores de ID semelhantes, RDS(on) cresce com o
valor de VDSS.
 MOSFETs

 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

 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
4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate

 A tensão limiar altera com a temperatura.
 MOSFETs

 MOSFETs
•A máxima tensão suportável entre Gate e Source (VGS) é tipicamente de ± 20V.

 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
5ª Velocidade de Comutação
S
D
G

- Ciss = Cgs + Cgd com Vds=0 ( capacidade de entrada).
- Crss = Cdg (capacidade Miller).
- Coss = Cds + Cdg ( capacidade de saída).
Ciss
Coss
 MOSFETs
 Os fabricantes de MOSFETS de potência fornecem informação de três capacidades
distintas das anteriores, mas relacionadas com elas:
Cgs
Cdg
S
D
G Cds

 Exemplo de informação dos fabricantes:
Ciss = Cgs + Cgd
Crss = Cdg
Coss = Cds + Cdg
 MOSFETs

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

- Com carga indutiva.
 - Com diodo de travamento
 - Supondo diodo ideal.
V1 R
V2
IL
 MOSFETs
Cdg
Cds
Cgs
• Análise de uma comutação típica em conversão de energia:

 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
iDT

• 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

 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

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

- 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
5ª Velocidade de Comutação  Valoração das perdas entre t0 e t2:

- 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
5ª Velocidade de Comutação  Valoração das perdas entre t2 e t3:
V1

- 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
 Valoração das perdas depois de t3:5ª Velocidade de Comutação
iDT = IL
+
-
vDS
vGS
+
-
Cdg
Cgs Cds+
-
+
-
+
-
IL
IL
iCdg
V1
VM

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
 Valoração da rapidez de um dispositivo pela “Carga de Porta”
t0 t2 t3

IRF 540
MOSFEtS dos anos 2000s
BUZ80 MOSFETs de 1984
 MOSFETs
 Valoração da rapidez de um dispositivo pela “Carga de Porta”: Informação dada pelos
fabricantes:

 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

IRF 540
+
-
vDS
iDT
+
-
vGS
G
D
S+
RG
RD
 Outro tipo de informação fornecida pelos fabricantes: comutação com carga resistiva.
 MOSFETs
td on : atraso de arranque.
tr : tempo de subida.
td off : atraso de desligamento.
tf : tempo de descida.

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

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

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

 Diodo parasita num MOSFET de alta tensão
 MOSFETs

 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

Diodos
 MOSFETs
Diodos e MOSFETs de Potência
MOSFETs

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

Bibliografias
http://www.unioviedo.es/sebas/

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