Semicondutores: MOSFETs de potência

MOSFETs de Potncia

MOSFETsPotnciaNo concordo com o acordo ortogrfico

de

Semicondutores de Potncia: MOSFETs14-04-2014Por : Lus Timteon

MOSFETs: IntroduoUm MOSFET, comparado com outros dispositivos semicondutores de potncia (IGBT, Tiristor...), tem como vantagens a alta velocidade de comutao e boa eficincia em baixa voltagem. Compartilha com o IGBT uma ponte isolada que torna mais fcil sua conduo.O MOSFET de Potncia o switch mais usado para baixa voltagem (menos de 200V). Pode ser encontrado em vrias fontes, conversores DC/DC, e controles de motor a baixa voltagem.Quando usar MOSFETs:1. Frequncias altas (acima de 50 kHz);2. Tenses muito baixas (< 500 V);3. Potncias baixas (< 1 kW) .


MOSFETs : Quando usar MOSFETsReguladores comutados AC-DC, AC-AC, DC-AC, e Conversores DC-DCAC-DC12 Vdc

t

230 Vac

t

AC-AC115 Vac

230Vac

t

t

DC-AC230 Vac12 Vdc

t

DC-DC

12 Vdc

5 Vdc

t

t


O nome faz meno sua estrutura interna: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET). um dispositivo unipolar: a conduo deve-se s a um tipo de portadores. Os usados em Electrnica de potncia so de tipo: Acumulao/Enriquecimento.

GDS

Canal NConduo devida a electresD

GS

Canal PConduo devida a lacunas ou buracos Os mais usados so os MOSFETs de canal N.A conduo devida aos electres e, portanto, com maior mobilidade menores resistncias de canal em conduo.Ideias gerais sobre o transistor de Efeito de Campo de Metal-xido-Semiconductor MOSFETs


Curvas caractersticas del MOSFETID [mA]VDS [V]

4 24260 Curvas de sadaCurvas de entrada:No tm interesse (porta isolada do canal)

VGS < VTH = 2V

VGS = 2,5V

VGS = 3V

VGS = 3,5VVGS = 4V

VGS = 4,5V

Referncias normalizadas

+

-VDS

ID

+ -VGSGDS

MOSFETsIdeias gerais sobre os MOSFETs de Enriquecimento


ID [mA]VDS [V]

4 24260

VGS = 2,5V

VGS = 3V

VGS = 3,5V

VGS = 4V

VGS = 4,5V

VGS = 0V< 2,5V< 3V < 3,5V< 4V

Comportamento resistivoVGS < VTH = 2V

< 4,5V

Comportamento como circuito aberto Zonas de trabalho

Comportamento como fonte de corrente MOSFETsIdeias gerais sobre os MOSFETs de Enriquecimento10V

+ -VDS

ID

+ -VGS

2,5KWGDS

Curvas de sada


6

GDS

DSG

+P-

Substrato

N+N+

Precaues no uso de transistores MOSFETO terminal da Porta (G), em aberto (ar), muito sensvel a rudos.O xido pode chegar a se perfurar pela electricidade esttica dos dedos. s vezes se integram diodos zener de proteco.Existe um diodo parasita entre a Fonte (S) e o Dreno (D) nos MOSFETs de Enriquecimento.

MOSFETs: Ideias gerais sobre MOSFETs de enriquecimento


So feitos de milhares de clulas colocadas em paralelo (Integraes so na ordem de 0,5 milhes por polegada quadrada). Nos dispositivos FET (em geral) fcil paralelizar clulas possveis. Estrutura vertical.

Porta (G)Dreno (D)Fonte (S)n+n-p

n+n+

Estructura planar (DMOS)

Estructura em trincheira (V MOS)Drenon+n-pn+

PortaFonte

GDS

Estrutura dos MOSFETs de potncia MOSFETs: Estruturas de potncia


MOSFET com Gate em trincheira (trench) (UMOSFET)Drain(D)

N+N-PN+

Source(S)Body

Gate(G)

MOSFET com extenso da Gate em trincheira (EXTFET)

Drain

N+N-PN+SourceBody

Gate

Ligao Source-body

A tenso de ruptura limitada a 25 V. MOSFETs: Outras estruturas


MOSFET com dopagem graduada (GD) e Gate em trincheira.

Drain

N+NPN+SourceBody

Gate

Ligao Source-body

Tambm para baixa tenso (tenso de ruptura de cerca de 50 V).

ND-sourceND-drain-ND-drain+

NA-bodyDopingEstrutura com carga acoplada na super-juno PN da regio de deriva (CoolMOS TM)

N+N-

N+

N+

P+P-DrainSourceGate

Body

Ligao Source-body 3 vezes melhor para dispositivos de 600 -800 V. MOSFETs: Outras estruturas


N+N-P

N+

N+

Drain

Drift regionBody

GateSource MOSFETs: Estrutura tridimensional de um DMOS


Emissor N+Camada n- substrato n+P base

Camada buffer n+

GECGSDECGDSGBody diode

MOSFETs: Comparao entre MOSFET e IGBT de trincheira

MOSFETIGBT

Camada n- Emissor n+ substrato p+ P base


MOSFET

SCR

Bipolar

IGBT

GTO

Press Pack IGBT

IEGTMotor ControlPower ControlHVDC,FACTUPSRobot WelderAutomotiveSMPSAudioVCRAir-conditioned MOSFETsAplicaes dos semicondutores de Potncia


Em geral, semelhantes s dos diodos de potncia (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=93A

RDS(on)=5,5mW, ID=86A

RDS(on)=1.5mW, ID=240A

MOSFETsEncapsulados de MOSFETs de potncia


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

MOSFETsEncapsulados de MOSFETs de potncia


1 -Mxima tenso Dreno-Fonte. 2 -Mxima corrente de Dreno.3 -Resistncia em conduo.4 -Tenses mximas de Porta e limiar. 5 -Velocidade de comutao.1 Mxima tenso Dreno-Fonte Corresponde tenso de ruptura da unio que formam o substrato (unido 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).

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia


Baixa tenso15 V30 V45 V55 V60 V80 VMdia tenso100 V150 V200 V400 VAlta tenso500 V600 V800 V1000 VExemplo de classificao

A mxima tenso Dreno-Fonte se representa como VDSS ou como V(BR)DSS Ajuda a classificar os transistores MOSFET de potncia. MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia1 Mxima tenso Dreno-Fonte


O fabricante fornece dois valores (pelo menos):

A corrente contnua mxima ID depende da temperatura da cpsula (mounting base) neste caso:

A 100C, ID=230,7=16,1A MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia2 Mxima corrente de DrenoCorrente continua mxima ID.Corrente mxima pulsada IDM.


um dos parmetros mais importantes no MOSFET. Quanto menor for, melhor o dispositivo. Se representa pelas letras RDS(on). Para um dispositivo particular, aumenta com a temperatura. Para um dispositivo particular, decresce com a tenso de Porta (G). Este decrescimento tem um limite.

Drain-source On Resistance, RDS(on) (Ohms)

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia3 Resistncia em Conduo


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



Nos ltimos tempos tm-se melhorado substancialmente os valores de RDS(on) em dispositivos de VDSS relativamente alta (600-1000 V).

MOSFET dos anos 2000sMOSFET de 1984



A tenso Porta-Fonte VGS, deve alcanar um valor limiar para que comece a haver conduo entre Dreno e Fonte. Os fabricantes definem a tenso limiar VGS(TO) ou (VT), como a tenso Porta-Fonte para a qual a corrente de Dreno 0,25 mA, ou 1 mA. As tenses limiares (VT), devem estar na margem de 2-4 V.

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia4 Tenso limiar e tenso Mxima de Gate


A tenso limiar altera com a temperatura.

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia4 Tenso limiar e tenso Mxima de Gate


MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia4 Tenso limiar e tenso Mxima de GateA mxima tenso suportvel entre Gate e Source (VGS) tipicamente de 20V.


Os MOSFETs de potncia so mais rpidos que outros dispositivos usados em electrnica de potncia (tiristores, transistores bipolares, IGBT, etc.) Os MOSFETs de potncia so dispositivos de conduo unipolar. Neles, os nveis de corrente conduzida no esto associados ao aumento da concentrao de portadores minoritrios, que so difceis de eliminar para que o dispositivo deixe de conduzir. A limitao da rapidez est associada carga das capacidades parasitas do dispositivo. H, essencialmente trs: - Cgs, capacidade linear. - Cds, capacidade de transio Cds k/(VDS)1/2 - Cdg, capacidade Miller, no linear, muito importante.Cds

CdgCgs

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de ComutaoSDG


- Ciss = Cgs + Cgd com Vds=0 ( capacidade de entrada).- Crss = Cdg (capacidade Miller).- Coss = Cds + Cdg ( capacidade de sada).

Ciss

Coss MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao Os fabricantes de MOSFETS de potncia fornecem informao de trs capacidades distintas das anteriores, mas relacionadas com elas:CgsCdgSDGCds


Exemplo de informao dos fabricantes:

Ciss = Cgs + Cgd Crss = Cdg Coss = Cds + Cdg

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao


V1R

C

Carga e descarga de um condensador sobre uma resistncia A carga e a descarga destas capacidades parasitas, geram perdas que condicionam as frequncias mximas de comutao dos MOSFETs de potncia. Na carga de C: - Energia perdida em R = 0,5CV12 - Energia armazenada em C = 0,5CV12

Na descarga de C: - Energia perdida em R = 0,5CV12

Energia total perdida: CV12 = V1QCV1 Alm disso, em geral, estas capacidades parasitas atrasam as variaes de tenso, ocasionando em muitos circuitos, desfasamentos entre tenso e corrente, o que implica perdas no processo de comutao. MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao


- Com carga indutiva. - Com diodo de travamento - Supondo diodo ideal.

V1R

V2

IL MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de ComutaoCdgCds

Cgs Anlise de uma comutao tpica em converso de energia:


Situao inicial: - Transistor sem conduzir (em bloqueio) e diodo em conduo. - Portanto:

VDG = V2, vDS = V2 e vGS = 0 iDT = 0 e iD = IL

+-vDSvGS

+-

+-VDG

iDBA - Nesta situao, o interruptor passa de B para A .+-

V1R

V2

ILCdgCds

Cgs+- MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao

iDT


iDT = 0 at que vGS = VGS(TO) vDS = V2 at que iDT = IL

VGS(TO)

vDSiDTvGS

BA

ILDeclive determinado por R, Cgs e por Cdg(V2)

+-+-

+-vDSvGS

+-

+-VDG

iDBA+-

V1R

V2

ILCdgCds

Cgs+-

iDT

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao


A corrente de V1 atravs de R usado fundamentalmente na descarga de Cdg praticamente no circula corrente por Cgs VGS = Cte.

+-vDSvGS

+-

+-VDGBA

V1R

V2

ILCdgCds

Cgs

iDT

VGS(TO)

vDSiDTvGS

BA

IL MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao


VGS(TO)

vDSiDTvGS

BA

IL Cgs e Cdg esto em srie

V1Constante de tempo determinada por R, Cgs e por Cdg(V1)

+-vDSvGS

+-

+-VDGBA

V1R

V2

ILCdgCds

Cgs

iDT MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao


- H que carregar Cgs (grande) e descarregar Cdg (pequena) VM . - H coexistncia de tenso e corrente entre t1 e t2.iDT

+-vDSvGS

+-

CdgCgs

Cds

V2

+-+-

+-

iDTt0t1t2t3

VGS(TO)

vDSiDTvGS

BA

IL

V1VM

PVI MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao Valorao das perdas entre t0 e t2:


- H que descarregar Cds at 0 e inverter a carga de Cdg desde V2-VM at -VM . - H coexistncia de tenso e corrente entre t2 e t3.

iDT = IL

+-vDSvGS

+-

CdgCgs

Cds

+-+-

+-

ILiCdsiCdg+iCds+ILiCdg

t0t1t2t3

VGS(TO)

vDSiDTvGS

BA

IL

VM

PVI MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao Valorao das perdas entre t2 e t3:

V1


- H que acabar de carregar Cgs e Cdg at V1 . - No h coexistncia de tenso e corrente, salvo a prpria das perdas de conduo.

t0t1t2t3

VGS(TO)

vDSiDTvGS

BA

IL

PVI MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia Valorao das perdas depois de t3:5 Velocidade de Comutao

iDT = IL

+-vDSvGS

+-

CdgCgs

Cds

+-+-

+-

ILILiCdg

V1VM


A corrente fornecida pela Fonte V1 aproximadamente constante entre t0 e t3 (inicio de uma exponencial, com IV1 V1/R).De t0 a t2, a corrente IV1 essencialmente para carregar Cgs. Que fornece uma carga elctrica Qgs .De t2 a t3, a corrente Iv1 inverte a carga de Cdg. Que adiciona mais uma carga elctrica Qdg .As carga so fornecidas at que VGS = V1. Qg o valor total (incluindo Qgs e Qdg)Para um determinado sistema de controlo (V1 e R), quanto menores forem Qgs, Qdg e Qg mais rpido ser o transistor.Obviamente que t2-t0 QgsR/V1, t3-t2 QdgR/V1 e PV1 = V1QgfS, sendo fS a frequncia de comutao.vGSiV1

V1

iV1RQgs

Qdg

Qg

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia Valorao da rapidez de um dispositivo pela Carga de Porta5 Velocidade de Comutao

t0

t2

t3


IRF 540

MOSFEtS dos anos 2000s

BUZ80MOSFETs de 1984

MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao Valorao da rapidez de um dispositivo pela Carga de Porta: Informao dada pelos fabricantes:


Outro tipo de informao fornecida pelos fabricantes: comutao com carga resistiva.

VDS

VGS

10%90%tr

td on

tf

td off

td on : atraso de arranque.tr : tempo de subida.td off : atraso de desligamento.tf : tempo de descida.

+ -vDS

iDT

+ -vGS

GDS

+RGRD MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutao


IRF 540

+ -vDS

iDT

+ -vGS

GDS

+RGRD Outro tipo de informao fornecida pelos fabricantes: comutao com carga resistiva. MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia5 Velocidade de Comutaotd on : atraso de arranque.tr : tempo de subida.td off : atraso de desligamento.tf : tempo de descida.


vDSiDTvGS

PVI

Perdas em conduo

Perdas em comutaoPcond = RDS(on)iDT(rms)2Won

Woff

Pcomt = fS(won + woff) Perdas por coexistncia de Tenso e corrente entre Dreno (D) e Fonte (S) MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia


vGSiV1

t0t2t3

Qgs

Qdg

Qg

PV1 = V1QgfS

V1

iV1RCircuito terico

V1

iV1RB

Circuito real Perdas na fonte de controlo MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia


O Diodo Parasita tende a ter caractersticas pobres, particularmente nos MOSFETs de alta tenso.

GDS

IRF 540

Perdas na fonte de controlo MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia


Diodo parasita num MOSFET de alta tenso MOSFETsCaractersticas fundamentais dos MOSFETs de potncia


Este fabricante denomina mounting base ao encapsulamento e fornece a informao de RTHja = RTHjc + RTHca Tudo o que foi dito, vlido para diodos de Potncia MOSFETsCaractersticas trmicas dos MOSFETs de potncia


Diodos MOSFETsDiodos e MOSFETs de Potncia

MOSFETs


MOSFETIGBTBJTTipo de comandoTensoTensoCorrentePotncia do comandoMnimaMnimaGrandeComplexidade do comandoSimplesSimplesMdiaDensidade de correnteElevada em BT e baixa em ATMuito elevadaMdiaPerdas de comutaoMuito baixaBaixa para mdiaMdia para alta

BJT x MOSFET x IGBT MOSFETs


OBRIGADO PELA ATENO !...


Bibliografiashttp://www.unioviedo.es/sebas/


Semicondutores: MOSFETs de potência

Technology

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