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Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 1
MOSFETs
Potência
Não concordo com o acordo ortográfico
de
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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) .
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
SCanal N
Condução devida a electrões
D
GS
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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 = 2,5VVGS = 3VVGS = 3,5V
VGS = 4V
VGS = 4,5V
Referências normalizadas
+
-VDS
ID
+
-VGS
G
D
S
MOSFETs
Ideias gerais sobre os MOSFETs de Enriquecimento
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 6
ID [mA]
VDS [V]
4
2
42 60
VGS = 2,5VVGS = 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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…
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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- pn+ 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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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
GateLigação Source-body
• A tensão de ruptura é limitada a 25 V.
MOSFETs: Outras estruturas…
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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MOSFET com dopagem graduada (GD) e Gate em trincheira.
Drain
N+
NPN+
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…
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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N+
N-
P N+N+
DrainDrift region
Body
Gate
Source
MOSFETs: Estrutura tridimensional de um DMOS
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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Emissor N+
Camada n-
substrato n+
P base
Camada buffer n+
G E
C
G S
DE
C
G D
S
G
Body diode
MOSFETs: Comparação entre MOSFET e IGBT de trincheira…
MOSFETIGBT
Camada n-
Emissor n+
substrato p+
P base
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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MOSFET
SCR
Bipolar
IGBT
GTO
Press Pack IGBT
IEGT
Motor ControlPower ControlHVDC,FACT
UPS
Robot Welder
Automotive
SMPS
AudioVCR
Air-conditioned
MOSFETs
Aplicações dos semicondutores de Potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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=12ARDS(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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 15
• Outros exemplos de MOSFETs de 60V.
RDS(on)=3.4mW, ID=90A
MOSFETs
Encapsulados de MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 17
Baixa tensão
15 V30 V45 V55 V60 V80 V
Média tensão
100 V150 V200 V400 V
Alta tensão
500 V600 V800 V1000 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
2ª Máxima corrente de Dreno
-Corrente continua máxima ID.-Corrente máxima pulsada IDM.
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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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)
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
3ª Resistência em Condução
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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Comparando dispositivos distintos de valores de ID semelhantes, RDS(on) cresce com o valor
de VDSS.
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
3ª Resistência em Condução
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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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
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
3ª Resistência em Condução
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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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.
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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A tensão limiar altera com a temperatura.
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 24
MOSFETsCaracterísticas 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.
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
S
D
G
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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- Ciss = Cgs + Cgd com Vds=0 (» capacidade de entrada).- Crss = Cdg (capacidade Miller).- Coss = Cds + Cdg (» capacidade de saída).
Ciss
Coss
MOSFETsCaracterísticas 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
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01-05-2023 Por : Luís Timóteo 27
Exemplo de informação dos fabricantes:
Ciss = Cgs + Cgd Crss = Cdg Coss = Cds + Cdg
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 28
V1 RC
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 = 0,5CV12
Na descarga de C: - Energia perdida em R = 0,5CV1
2
Energia total perdida: CV12 = 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.
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 29
- Com carga indutiva.
- Com diodo de travamento
- Supondo diodo ideal.
V1 R
V2
IL
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Cdg
Cds
Cgs
• Análise de uma comutação típica em conversão de energia:
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
+-
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
iDT
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• iDT = 0 até que vGS = VGS(TO)
• vDS = V2 até que iDT = IL VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
Declive determinado por R, Cgs e por Cdg(»V2)
+
-vDS
vGS
+
-
+
-
VDG iD
B
A
+
-
V1
R
V2
IL
Cdg
Cds
Cgs
+-
iDT
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 32
A corrente de V1 através de R é usado fundamentalmente na
descarga de Cdg Þ praticamente não circula corrente por Cgs Þ
VGS = Cte.
+
-vDS
vGS
+
-
+
-
VDG
B
A
V1
R
V2
IL
Cdg
Cds
Cgs
iDT
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 33
VGS(TO)
vDS
iDT
vGSBA
IL
Cgs e Cdg estão em sérieV1
Constante de tempo determinada por R, Cgs e por Cdg(»V1)
+
-vDS
vGS
+
-
+
-
VDG
B
A
V1
R
V2
IL
CdgCds
Cgs
iDT
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
BA
IL
V1
VM
PVI
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação Valoração das perdas entre t0 e t2:
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
BA
IL
VM
PVI
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação Valoração das perdas entre t2 e t3:
V1
Semicondutores de Potência: MOSFETs
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- 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
BA
IL
PVI
MOSFETsCaracterísticas 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
V1VM
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
Valoração da rapidez de um dispositivo pela “Carga de Porta”
5ª Velocidade de Comutação
t0 t2 t3
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 38
IRF 540
MOSFEtS dos anos 2000s
BUZ80 MOSFETs de »1984
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação Valoração da rapidez de um dispositivo pela “Carga de Porta”: Informação dada pelos
fabricantes:
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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.
MOSFETsCaracterísticas 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.
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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)
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 44
Diodo parasita num MOSFET de alta tensão
MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
MOSFETsCaracterísticas térmicas dos MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 46
Diodos
MOSFETsDiodos e MOSFETs de Potência
MOSFETs
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 48
OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...
Semicondutores de Potência: MOSFETs
01-05-2023 Por : Luís Timóteo 49
Bibliografias
http://www.unioviedo.es/sebas/