Engenharia Elétrica - Eletrônica de Potência I Prof. José Roberto Marques docente da Universidade de Mogi das Cruzes

Transcrição

1 MOSFET de Potência O transistor de efeito de campo construído com óxido metálico semicondutor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor = MOSFET) é um dispositivo controlado por tensão, ao contrário dos transistores bipolares de potência (BJT de potência) que são controlados por corrente e que necessitam, muitas vezes de elevadas correntes de base para ativar altas correntes de coletor. Assim o MOSFET de potência consome corrente praticamente nula na atuação de seu controle. Algumas características dos MOSFETs de potência são: Os MOSFET de potência apresentam características de altas velocidades de chaveamento com tempos de chaveamento que são bastante pequenos o que permite seu uso em aplicações com altas frequências de chaveamento, como choppers e inversores de frequência variável com modulação PWM. A formação estrutural dos MOSFETs de potência é a formação de um diodo com operação reversa entre os terminais de chaveamento. Essa combinação é fundamental em conversores estáticos para o manuseamento de cargas indutivas, já que proveem capacidade de bypass aos dispositivos de chaveamento. Os MOSFETs tem coeficiente de temperatura positivo, o que permite o uso de tais dispositivos em paralelo, uma vez que o efeito citado provoca a divisão da corrente total entre os dispositivos em paralelo de forma equitativa. Os BJTs de potência, tem em geral menor tensão de estado ON que os MOSFETs de potência e daí menor dissipação de potência para a mesma corrente de operação.] Os BJTs de potência, são disponibilizados com especificações de tensão e corrente bem maiores que os MOSFETs de potência. Estrutura dos MOSFET de potência Os MOSFETs de potência são fabricados na forma de arranjos, o que significa que um único transistor é composto por uma combinação de várias células individuais, cada uma das quais é um MOSFET em si mesma. O número de células em um pellet pode chegar a 1000 em uma área menor que 1mm 2, e os dispositivos tem três terminais denominados dreno, fonte e gatilho. A corrente deve percorrer o dispositivo no sentido de dreno para a fonte e a tensão de controle do mesmo deve ser aplicada entre gatilho e fonte. 1

2 MOSFET de potência de canal n A figura acima mostra a estrutura de um MOSFET de canal n com a superfície do dreno na parte superior e a estrutura mostra apenas uma célula do arranjo e consiste de uma região n + externa de baixa resistividade e uma outra interna de alta resistividade (com baixa concentração de impurezas) n -. A região interna de alta resistividade tem o objetivo fornecer ao dispositivo a capacidade de operar em altas tensões, enquanto a região de baixa resistividade tem o objetivo de criar um forte contato de baixa resistência elétrica com a superfície de metal do dreno. Próximo a região n -, existe uma ilha p relativamente grande e dentro da mesma existem ilhas n +. A deposição de metal da fonte cobre boa parte das ilhas n + e também a parte central da ilha p entre as ilhas n +. O terminal de gatilho não faz qualquer contato elétrico com o pellet de silício devido a uma camada de óxido de silício que é um isolante elétrico. Princípio de operação Em condições normais de operação o terminal de gatilho é positivo em relação ao terminal de fonte, mas se o terminal de gatilho estiver com tensão nula em relação ao terminal de fonte, a junção pn estará inversamente polarizada e a corrente de dreno será nula e somente uma corrente de fuga flui pelo dispositivo. Se for aplicada uma tensão positiva ao terminal de gatilho em relação ao terminal de fonte, o campo elétrico gerado puxa os elétrons da zona n para dentro da zona p próxima ao gatilho, criando dessa forma uma canal n ligando a região n + da fonte com a região n - do dreno. Se o potencial de gatilho não for suficiente para criar a região de passagem nenhuma corrente fluirá. Portanto existe um valor de tensão limiar V GS, abaixo do qual a chave não estará completamente OFF. Acima dessa tensão a área da seção reta (transversal) do canal aumentará com o aumento da tensão V GS. 2

3 Existe um valor de V GS para o qual a corrente do canal de condução saturará e a partir do qual é inútil o aumento de V GS. Na prática tensões da ordem de 12 a 15V são adequadas para ativar completamente o MOSFET de potência. Uma característica fundamental a ser observada no projeto de sistemas com o MOSFET de potência é a resistência ON do canal R (DS)ON. Essa resistência deverá ser a menor possível para diminuir a dissipação de potência do dispositivo e é fornecida nos data sheets dos fabricantes, juntamente com máxima tensão de isolação, máxima corrente de dreno e máxima frequência de operação ou as vezes os tempos de t ON e t OFF dos dispositivos, o que permite calcular sua frequência máxima para uma determinada aplicação. A magnitude da resistência R (DS)ON determina aqueda de tensão direta entre dreno e fonte do dispositivo e a potência média dissipada pelo mesmo, ou: A figura do MOSFET de potência mostra que existe um diodo natural dentro da estrutura do MOSFET que é denominado diodo de corpo do MOSFT de potência. Isso é natural na estrutura do MOSFET de potência, mas não nos IGBTs onde, se houver necessidade do diodo de bypass, o mesmo deverá ser implementado em uma estrutura de silício paralela ao corpo do IGBT propriamente dito. Área de Operação Segura (SOA) Uma área de operação segura (Safe Operating Area) típica é mostrada na figura abaixo. Os limites relacionado a (1) correspondem a corrente de dreno máxima e o tempo que o dispositivo suporta essa corrente, a potência máxima que o dispositivo pode dissipar (2) e finalmente a tensão máxima entre dreno e fonte que o dispositivo pode suportar (3). 3

4 As capacitâncias inerentes a estrutura do MOSFET de potência Como mostra a figura da estrutura do MOSFET de potência, existe uma área de contado entre os terminais e a isolação fornecida pelo óxido de silício e até pela junção inversamente polarizada do dispositivo em estado OFF, e isso introduz capacitância parasitas na estrutura do dispositivo o que influencia seu comportamento em altas frequências. As capacitâncias entre os terminais são designadas C GD (capacitância gatilho-dreno), C GS (capacitância gatilhofonte) e C ds (capacitância dreno-fonte). Em geral as folhas de dados dos fabricantes especificam as capacitâncias da seguinte forma: C iss é a capacitância de entrada do terminal de gatilho com os terminais de dreno e fonte conectados em curto, C oss é a capacitância de saída medida com o gatilho conectado ao terminal de fonte e C rss é a capacitância de transferência reversa. Com relação ao comportamento do MOSFET de potência relativo a frequência de chaveamento, é importante considerar no projeto do circuito de acionamento do MOSFET a amplificação de C gd devido ao efeito Miller. Os tempos de chaveamento dos MOSFET de potência Para os dispositivos de potência do tipo do MOSFET ou IGBT, o chaveamento pode, a grosso modo, ser dividido em quatro partes, a partir de um sinal pulsado aplicado entre os terminais de gatilho e fonte ( ) e as respostas da tensão dreno-fonte e da corrente de dreno, como mostra a figura abaixo. Para efeito de clareza, os comportamentos da tensão e da corrente estão linearizados na figura, mas isso não corresponde a uma realidade absoluta. Os tempos de atraso são definidos da seguinte forma: t d(on) retardo de ligamento (turn ON delay): é o tempo medido entre o instante que a tensão de gatilho V GS atinge de 10% até que a tensão dreno-fonte V DS caia 10% de seu valor inicial no estado OFF. 4

5 t r tempo de subida (rise time): é o intervalo de tempo entre o instante em que V DS cai entre 90% e 10% de seu valor inicial no estado OFF e durante esse tempo a corrente de dreno sobe entre os limites correspondentes. t d(off) retardo de desligamento (turn OFF delay): é o intervalo no desligamento do dispositivo entre o momento em que a tensão V GS cai a 90% de seu valor no estado ON e o instante em que a tensão V DS sobe a 10% de seu valor no estado OFF. t f tempo de queda (fall time): é o intervalo de tempo durante o qual a tensão V DS sobe de 10% a 90% de seu valor final no estado OFF, durante esse tempo a corrente de dreno cai entre os limites correspondentes. O tempo de ligamento t ON é definido como: O tempo de desligamento t OFF é definido como: Os MOSFETs de potência, em geral tem tempos de chaveamento menores que outros semicondutores de potência, porem os tempos t ON e t OFF dependem das especificações do dispositivo, mas de forma geral essa capacidade de chaveamento mais rápido dos MOSFETs tornam esses dispositivos bastante apropriados quando há a necessidade de altas frequências de chaveamento. Definições dos tempos de chaveamento dos MOSFET de potência Os Transistores Bipolares com Gatilho Isolado (IGBT) Os transistores bipolares de potência com gatilho isolado combinam algumas vantagens do MOSFET de potência e dos transistores bipolares de potência, assim são dispositivos controlados por tensão como os MOSFETs com 5

6 características de acionamento ON/OFF semelhantes as dos MOSFETs. Esses dispositivos são projetados para o uso em chaveamento e suas características com relação a esse quesito são semelhantes aos transistores BJT, ou seja são dispositivos muito rápidos e dissipam menos calor que os MOSFETs nas mesmas condições operacionais, no entanto esse dispositivo não resiste a tensões reversas, ou seja para operar cargas que imponham retorno de corrente é necessário que se construa um diodo de bypass entre o coletor e emissor desse dispositivo, no entanto alguns desses dispositivos podem operar com tensões da ordem de 1200V e corrente até 600 A, ou seja, por enquanto, o IGBT somente é inferior ao SCR em aplicações de potência. A velocidade de chaveamento dos IGBTS é maior que a dos transistores bipolares (BJT), o tempo de ligamento (turn on) é aproximadamente igual ao dos MOSFET de potência, mas o tempo de desligamento (turn off) é maior, assim os conversores com IGBT tem uma velocidade de chaveamento intermediária entre os BJTs de potência e os MOSFETs de potência. Funcionamento do IGBT Estrutura do IGBT (a) e (b) símbolos do IGBT A operação do IGBT é similar a dos MOSFETs de potência, a diferença principal decorre da resistência oferecida pela região n + e n - (camadas de buffer e deriva de dreno) na figura acima, quando a corrente flui no estado ON é muito menor no IGBT que no MOSFET. Essa diminuição da resistência ocorre devido a injeção de lacunas da camada p (camada de injeção) nas regiões n+ e n -. Esse efeito é denominado de modulação de condutividade da região n (n + e n - ) sendo que esta modulação reduz significativamente a ddp (diferença de potencial) o que permite a especificação de corrente ser de 5 a dez vezes em relação ao MOSFET de potência em chips de mesma área relativamente ao MOSFET. Em uso prático a polaridade da tensão do coletor deve ser maior que a do emissor, sendo que o terminal de gatilho deve ser positivo em relação a um limiar específico de tensão em relação ao emissor, para a ativação de operação ON do dispositivo. 6

7 Na formação do IGBT ocorre o aparecimento de um transistor parasita como mostra a figura abaixo, mas os efeitos do mesmo são minimizados quando da fabricação do IGBT de modo a não interferir no funcionamento do mesmo. Ao contrário dos MOSFET de potência, o IGBT não forma um diodo natural reversamente polarizado e que permite o manuseio do mesmo de cargas indutivas que gerem tensão reversa. Por isso o IGBT deve ter um diodo em anti paralelo conectado entre as regiões de coletor e emissor. Estrutura do IGBT com o transistor parasita e o modelo de acionamento via FET aproximado Exercícios Preencha os espaços vazios das afirmações abaixo com as respostas adequadas. i) Um IGBT é um dispositivo que combina as vantagens de um e de um. ii) O IGBT é adequado para aplicações em voltagem e frequências. iii) Na estrutura formadora de um IGBT um forma a camada de injeção iv) A tensão de bloqueio direto de um IGBT é determinada pela e pela da camada de deriva de dreno. v) A estrutura do IGBT tem parasita embutido em seu interior. vi) O IGBT precisa de um diodo operando em anti-paralelo entre coletor e emissor para operar com cargas. 7