UNIVERSIDADE FEDERAL DE
SÃO JOÃO DEL-REI
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
TRANSISTORES DE POTÊNCIA (MOSFET)
Sumário
1.
Histórico
2.
Comparação entre FET e TBJ
3.
Construção do MOSFET
4.
Tipos de Transistores e Simbologia
5.
Regiões de Operação
6.
Curva característica de transferência do MOSFET
7.
Curva característica ideal do MOSFET
8.
MOSFET como interruptor
9.
Perdas no MOSFET
10. Diodo interno de um MOSFET de potência
11. IGBT
12. Curva característica de tensão-corrente do IGBT
Histórico
Embora o conceito básico do FET tenha sido conhecido desde 1930, o dispositivo tornou-se uma realidade prática apenas na década de 1960. Desde o final de 1970, um tipo particular de FET, o transistor de efeito de
campo tipo metal-óxido-semicondutor (MOSFET), tornou-se extremamente popular.
Comparado aos TBJs, os transistores FET podem ser feitos com dimensões muito pequenas (isto é, ocupando uma pequena área de silício na pastilha do circuito integrado), e seu processo de fabricação é relativamente
simples.
Funções lógicas digitais e memórias podem ser implementadas com circuitos que utilizam exclusivamente FETs (isto é, não há necessidade de resistores ou diodos).
A maioria dos circuitos integrados é feita atualmente usando-se a tecnologia MOS.
SEMELHANÇAS:
- São utilizados em circuitos
amplificadores
;
- Funcionam como
interruptores
;
- Utilizados em circuitos de
casamento de impedância
.
DIFERENÇAS:
- FETs
são dispositivos
controlados
por
tensão
.
TBJs
são
dispositivos controlados por
corrente
;
DIFERENÇAS:
- FETs
têm
impedância de entrada maior
.
TBJs
têm
ganhos
maiores
;
- FETs
são
menos sensíveis
à variações de
temperatura
e mais
facilmente integrados em
CIs
;
Construção do MOSFET
Construção do MOSFET
Os símbolos dos dois tipos de transistores são mostrados na Figura 3.3.
NMOS PMOS
Tipos de Transistores e Simbologia
As polarizações para os dois tipos de transistores são vistas na Figura 3.4.
NMOS PMOS
Tipos de Transistores e Simbologia
A curva entorta porque a resistência do canal
aumenta com vDS
Praticamente uma linha reta com inclinação proporcional a (vGS– Vth)
Triodo Saturação
A corrente satura porque o
canal estrangula no final do dreno, e vDS não mais afeta o canal
V
GS> V
thRegiões de Operação
Ôhmica ou Ativa ouRegiões de Operação
Há três regiões distintas de operação na curva característica VxI para uma dada tensão da porta: a região de corte, a região ativa (ou saturação) e a região de resistência constante (ôhmica ou triodo).
A região de corte, ou estado desligado do MOSFET, existe enquanto
VGS < Vth. Quando os valores de VGS forem maiores do que Vth, o MOSFET poderá operar na região ativa (saturação) ou na região ôhmica.
Na região ativa/saturação, ele funciona como um amplificador. Nesse caso, VGS > Vth. Para um dado valor de VGS, a corrente de dreno permanece aproximadamente constante, independentemente da tensão dreno-fonte. Essa corrente (ID) é controlada por VGS; logo, tanto ID como a tensão VDS podem ser simultaneamente altas.
A região de interesse em eletrônica de potência é a região ôhmica ou triodo, em que a corrente de dreno aumenta de maneira diretamente
Curva característica de transferência do MOSFET
Quando o MOSFET é utilizado
como interruptor
, sua
função básica é
controlar a corrente de dreno através da tensão
da porta
. A Figura 3.6 mostra a curva característica de
transferência.
Curva característica de transferência do MOSFET
A
curva real
pode ser
aproximada
pelas características
lineares indicadas pela linha tracejada na Figura 3.6. A
corrente
de
dreno
é igual a
zero até
que se alcance a
tensão limiar (V
th)
. A
partir daí,
aumenta linearmente com
a
tensão
. A
inclinação
da
curva
representa
o valor da transcondutância
g
m.
I
D= 0
para
V
GS< V
thCurva característica ideal do MOSFET
O MOSFET tem uma
curva característica ideal
, como mostra a
Figura 3.7.
Sem sinal
aplicado
na porta
, o dispositivo está
desligado
. A
corrente de dreno (I
D) é igual a zero e a tensão V
DSigual ao valor da
fonte de alimentação. A
tensão
da porta (
V
GS) faz com que o
dispositivo
passe para o estado
ligado
e a
corrente
de dreno seja
limitada
pela
resistência
de carga. A tensão (
V
DS) no MOSFET é
igual a
zero
.
MOSFET como interruptor
Quando um MOSFET de potência é utilizado
como interruptor
e está na condição
ligado
, é forçado a operar na
região ôhmica
. Isso
garante que a
queda de tensão
no dispositivo seja
baixa
, de tal modo
que a corrente de dreno fique determinada pela carga. Assim, a
perda
de potência
no dispositivo é
pequena
. A condição para operação do
MOSFET na região ôhmica é dada por:
V
DS≤ V
GS− V
the V
DS> 0
Portanto, para aplicações de comutação, a resistência no
estado ligado (
R
DS(ON)) passa a ser um parâmetro muito importante,
uma vez que
determina
a
perda
de potência durante a
condução
para
um dado valor de corrente de carga (dreno).
MOSFET como interruptor
MOSFET como interruptor
Quanto mais baixo
o valor de
R
DS(ON),
mais baixa
a queda de
tensão no estado ligado, mais baixa a
dissipação de potência
e
mais
alta
a
capacidade
de
corrente
do dispositivo.
A queda de tensão direta é:
Quando o MOSFET está
desligado
, a
corrente
de dreno é
praticamente
igual a
zero
e a tensão V
DSigual ao valor da tensão de
alimentação. Nessas condições, a
resistência
entre o dreno e a fonte
R
DSé
muito alta
. Para a operação do MOSFET
na região de corte
temos:
MOSFET como interruptor
Diodo interno de um MOSFET de potência
Quando houver inversão na polarização do terminal da fonte (quando ela for positiva em relação ao dreno), o MOSFET não pode bloquear a
tensão. O fato se deve ao diodo intrínseco antiparalelo existente em sua estrutura (devido à conexão realizada entre corpo e fonte). Esse diodo fornece um caminho interno direto para que a corrente passe na direção inversa (da fonte para o dreno) através da junção, que se torna diretamente polarizada. Denominado diodo de corpo e mostrado na Figura 3.10, ele é muito útil para a maioria das aplicações de comutação, uma vez que fornece um caminho de
Perdas no MOSFET
Perda de potência na condução / estado ligado
Perda de potência no estado desligado
Perda de energia na ligação do interruptor
Perda de energia no desligamento do interruptor
𝑊𝑆𝑊−𝑂𝑁 = 𝑉𝐷𝑆(max)𝐼𝐷𝑡𝑆𝑊−𝑂𝑁 2𝜋
𝑊𝑆𝑊−𝑂𝐹𝐹 = 𝑉𝐷𝑆(max)𝐼𝐷𝑡𝑆𝑊−𝑂𝐹𝐹 2𝜋
Perdas no MOSFET
Perda de potência por
comutação
Perda
total
de potência no MOSFET
É importante ressaltar que, nas
baixas frequências
de
comutação, a
perda total
de potência em um
MOSFET
é
mais alta
do
que em um
TBJ
por causa da
perda na condução maior no MOSFET
.
Entretanto, à medida que a
frequência cresce
, as
perdas
por
comutação do
TBJ aumentam
mais do que as do MOSFET. Portanto,
para aplicações em
altas frequências
é
desejável
o uso do
MOSFET
.
Exemplo
Ex. 3.6) Na figura abaixo, a fonte de tensão é VS = 120 V e a resistência de carga RL = 10 Ω. Os parâmetros do MOSFET são tSW-ON = tSW-OFF = 1,5 μs e RDS(ON) = 0,1 Ω. Se o ciclo de trabalho for igual a 60% e a frequência de comutação for igual a 25 kHz, determine:
a) a perda de potência no estado ligado;
𝑃𝑆𝑊−𝑂𝑁 = 𝑉𝐷𝑆(max)𝐼𝐷
2𝜋 .
𝑡𝑆𝑊−𝑂𝑁 𝑇
Exemplo
Ex. 3.7) Um MOSFET tem os seguintes parâmetros: IDSS = 2 mA, RDS(ON) = 0,3 Ω, ciclo de trabalho d = 50%, ID = 6 A, VDS = 100 V, tSW-ON = 100 ns e tSW-OFF = 200 ns. Se a frequência de comutação for de 40 kHz, determine a perda total de potência.
Transistores bipolares de porta isolada
(IGBTs)
Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs)
31
O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) mescla as características de baixa queda de tensão no estado ligado do TBJ com as excelentes características de comutação e um circuito de acionamento da porta bem
simples e a alta impedância de entrada do MOSFET.
Os IGBTs estão substituindo os MOSFETs em aplicações de alta tensão, nas quais as perdas na condução precisam ser mantidas em valores baixos.
Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs)
Embora as velocidades de
comutação
dos IGBTs sejam
maiores
(até 50 kHz) do que as dos
TBJs
, são
menores
do que as dos
MOSFETs
.
Ao contrário do que ocorre no MOSFET, o IGBT
não tem
qualquer diodo reverso interno
. Assim, sua
capacidade
de
bloqueio
para tensões
inversas
é
muito baixa
.
A
operação
do IGBT é muito
similar
à dos
MOSFETs
de
potência.
Para
colocá-lo
no
estado
ligado,
basta
polarizar
positivamente o terminal coletor (C), em relação ao terminal emissor
(E). Uma
tensão positiva
V
Gaplicada na
porta
fará o dispositivo passar
para o estado
ligado
quando a tensão na porta exceder a tensão de
limiar (
V
). O IGBT passará para o estado desligado no momento
Curva característica de tensão-corrente do IGBT
33
Quando não houver tensão aplicada na porta, o IGBT estará no estado desligado, no qual a corrente (IC) é igual a zero e a tensão através do interruptor é igual à da fonte. Se a tensão VG > VGE(TH) for aplicada na porta, o dispositivo passará para o estado ligado e permitirá a passagem da corrente IC. Essa corrente é limitada pela tensão da fonte e pela resistência de carga. No estado ligado, a tensão através do interruptor é VCE(sat).
Perdas no IGBT
Perda de potência na condução / estado ligado
Perda de potência no estado desligado
A perda de energia no IGBT durante o tempo de ligação é dada por:
A perda de energia durante o tempo de desligamento (tOFF) é a mesma daquela do tempo de ligação e é dada por:
𝑉 𝐼 𝑡 𝑊𝑆𝑊−𝑂𝑁 = 𝑉𝐶𝐸(max)𝐼𝐶(max)𝑡𝑆𝑊−𝑂𝑁 2𝜋 𝑃𝑂𝑁(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝐶𝐸(sat). 𝐼𝐶 𝑡𝑂𝑁 𝑇 𝑃𝑂𝐹𝐹(𝑎𝑣𝑔) = 𝑉𝐶𝐸. 𝐼𝐹𝑈𝐺𝐴 𝑡𝑂𝐹𝐹 𝑇
Exemplo
Ex. 3.11) No circuito abaixo, VS = 220 V, RL = 10 Ω, f = 1 kHz e d = 0,6. Se o IGBT tiver os seguintes dados:
tSW-ON = 2,5 μs, tSW-OFF = 1 μs e VCE(sat)= 2,0 V,
determine:
a) a corrente média na carga;
b) as perdas na condução;
c) as perdas de potência durante o tempo de ligação;
Transistor de Unijunção (UJT)
O transistor de unijunção (unijunction transistors – UJT) é
um dispositivo com três terminais. Um deles é o
emissor
(E) e os
demais, as
duas bases
: a base um (B
1) e a base dois (B
2).
O
emissor
é feito de material
do tipo P
, enquanto o
corpo principal
é feito de material do
tipo N
. Portanto, existe
uma junção PN entre o emissor e o corpo do dispositivo.
Transistor de Unijunção (UJT)
Os terminas B2 e B1 são de polarização e, por serem compostos de um único material tipo N, apresentam uma resistência característica. Ao ser
polarizado, tensão positiva em B2 e negativa em B1, por exemplo, é necessário
aplicar uma tensão no emissor superior à queda entre o ponto E (que será uma porção da tensão aplicado entre B2 e B1), mais a queda de uma junção PN (cerca de 0,7 V para o silício). Nesse instante, a corrente irá circular do emissor (E) para a base 1 (B1), passando o dispositivo para o estado ligado.
