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Semicondutores de Potência : MOSFETs 28-06-2022 Por : Luís Timóteo 1 MOSFETs Potênci a Não concordo com o acordo ortográfico de

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 1

MOSFETs

Potência

Não concordo com o acordo ortográfico

de

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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) .

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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

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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

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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

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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

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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…

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 9

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…

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 10

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…

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 11

N+

N-

P N+N+

DrainDrift region

Body

Gate

Source

MOSFETs: Estrutura tridimensional de um DMOS

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 12

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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 13

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

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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

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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

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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

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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

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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.

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 19

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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 20

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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 21

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

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 23

A tensão limiar altera com a temperatura.

MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência

4ª Tensão limiar e tensão Máxima de Gate

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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.

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 26

- 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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Semicondutores de Potência: MOSFETs

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

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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

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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:

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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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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 31

• 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

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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

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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

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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:

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

01-05-2023 Por : Luís Timóteo 36

- 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

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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

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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:

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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

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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.

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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

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

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Diodo parasita num MOSFET de alta tensão

MOSFETsCaracterísticas fundamentais dos MOSFETs de potência

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

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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

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

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OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...

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Semicondutores de Potência: MOSFETs

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Bibliografias

http://www.unioviedo.es/sebas/