semicondutores de potencia

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MOSFETs
Potência
Não concordo com o acordo ortográfico
de 
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 Curvas características del MOSFET
ID [mA]
VDS [V]
 4
 2
4
2
6
0
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
ID [mA]
VDS [V]
 4
 2
4
2
6
0
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
6
G
D
S
D
S
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
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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-
p
n+
Porta
Fonte
G
D
S
Estrutura dos MOSFETs de potência
 MOSFETs: Estruturas de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
MOSFET com Gate em trincheira (trench) (UMOSFET)
Drain(D)
N+
N-
P
N+
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…
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
MOSFET com dopagem graduada (GD) e Gate em trincheira.
Drain
N+
N
P
N+
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
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
N+
N-
P
N+
N+
Drain
Drift region
Body
Gate
Source
 MOSFETs: Estrutura tridimensional de um DMOS
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
MOSFET
SCR
Bipolar
IGBT
GTO
Press Pack IGBT
IEGT
Motor Control
Power Control
HVDC,FACT
UPS
Robot Welder
Automotive
SMPS
Audio
VCR
Air-conditioned
 MOSFETs
Aplicações dos semicondutores de Potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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=93A
RDS(on)=5,5mW, ID=86A
RDS(on)=1.5mW, ID=240A
 MOSFETs
Encapsulados de MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 Outros exemplos de MOSFETs de 60V.
RDS(on)=3.4mW, ID=90A
 MOSFETs
Encapsulados de MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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.
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 A tensão limiar altera com a temperatura.
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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.
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
- 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:
C
gs
C
dg
S
D
G
C
ds
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 Exemplo de informação dos fabricantes:
Ciss = Cgs + Cgd 
Crss = Cdg 
Coss = Cds + Cdg
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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 = 0,5CV12
 - Energia armazenada em C = 0,5CV12
 Na descarga de C:
 - Energia perdida em R = 0,5CV12
 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.	
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
- 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
C
dg
Cds
C
gs
 Análise de uma comutação típica em conversão de energia:
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
C
dg
Cds
C
gs
+
-
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
iDT
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
C
dg
Cds
C
gs
+
-
iDT
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
C
dg
Cds
C
gs
iDT
VGS(TO)
vDS
iDT
vGS
B®A
IL
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
C
dg
Cds
C
gs
iDT
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
- 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:
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 - 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
- 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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:
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 Outro tipo de informação fornecida pelos fabricantes: comutação 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
G
D
S
+
RG
RD
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
5ª Velocidade de Comutação
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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.
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 Diodo parasita num MOSFET de alta tensão
 MOSFETs
Características fundamentais dos MOSFETs de potência
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
 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
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Diodos
 MOSFETs
Diodos e MOSFETs de Potência 
MOSFETs
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
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
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Bibliografias
http://www.unioviedo.es/sebas/
Semicondutores de Potência: MOSFETs
14-04-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›