Transistores MosFet de Potência

1. Transistores MosFet de Potência • O controle do transistor MosFet é feito aplicando-se uma tensão VGS > VTH para condução e VGS < VTH para bloqueio; • A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 4V; • A impedância de entrada de um transistor MosFet é muito elevada; • O MosFet de Potência é constituido de muitas células conectadas em paralelo; • A condução é feita por portadores majoritários; • A máxima tensão VGS é de +20V e a mínima é de -20V; • Em condução, o MosFet se comporta como um resistor com coeficiente de temperatura positivo ( rdson) e o valor deste resistor depende da amplitude de VGS; • Quanto maior a tensão de ruptura do MosFet, maior o valor do resistor rdson; • No processo de fabricação aparece um diodo em anti-paralelo com o transistor que apresenta um tempo de recuperação elevado; Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1

2. Transistor Mosfet – Características principais O parâmetro mais importante do MosFet é a resistencia do canal RDSon. Este parâmetro esta relacionado com a tensão de ruptura e a capacidade de corrente do transistor. Quanto menor a resistência, melhor o transistor D O diodo intrínseco é lento. Ele pode ser eliminado com dois diodos externos G S VDS RDSon ID RDSon Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 2

3. Transistor Mosfet – Características principais Os catálogos dos fabricantes fornecem os valores de Ciss, Crsse Coss. D Cgd Cds VDS G S VGS Ao carregar o capacitor de “Gate” ocorre uma alteração da impedância do capacitor Ciss, devido a Crss. Efeito Miller VGS Forma de onda da tensão VGS QGD Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 3

4. Transistor Mosfet – Características principais O transistor MosFet conduz se for aplicada uma tensão VGS > VTH e cessa a condução se VGS < VTH D G Threshold voltage: VTH Valores típicos de VTH : 3 a 5 V S Existe um valor máximo de tensão VGS que pode ser aplicada ao MosFet acima da qual ocorre destruição do transistor. O circuito equivalente entre o “Gate” e o “Source” pode ser modelado como um capacitor. Valores típicos: ±20 V Ordem de grandeza: nF (Ciss) Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 4

5. Transistores IGBT • O controle do transistor IGBT é feito aplicando-se uma tensão VGE > VTH para condução e VGE < VTH para bloqueio; • A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 5V; • A impedância de entrada de um transistor IGBT é muito elevada; • A condução é feita por portadores minoritários; • A máxima tensão VGE é de +20V e a mínima é de -20V; • Geralmente, o transistor IGBT é comandado com uma tensão de +15V para condução e uma tensão negativa menor que -5V para o bloqueio. • No processo de fabricação não aparece o diodo em anti-paralelo com o transistor. Quando presente, trata-se de um diodo com características compatíveis com os tempos de chaveamento do IGBT; • Há dois tipos construtivos de IGBT: PT (“Punch Through”) e NPT (“Non Punch Through”). Nos transistores do tipo NPT, o coeficiente de temperatura da queda de tensão VCE é positivo o que simplifica o paralelismo destes IGBTs; Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 5

6. Transistor IGBT – Características principais C Possui características de transistor MosFet na entrada e de transistor Bipolar na saída O comando de um transistor IGBT é similar ao de um transistor Mosfet VCE G VGE E Os transistores NPN e PNP formam um tiristor parasita O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é compatível com os tempos de comutação do IGBT. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 6

7. Transistor IGBT – Características principais Como a condução é feita por portadores minoritários, aparece uma cauda de corrente no momento do bloqueio do transistor IGBT “Current tail” Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 7

8. MosFet x IGBT • MOSFET • Condução portadores majoritários • Menor queda de tensão • Nenhum atraso devido ao tempo de vida dos portadores • Conduz em ambas direções • Comportamento resistivo na condução • Diodo Intrinseco • Elevado tempo de recuperação • Boa capacidade de Avalanche • Não é a prova de curto-circuito • IGBT • Condução portadores minoritários • Maior queda de tensão • Saturação dinamica e cauda de corrente • Conduz apenas em um sentido • Comportamento não linear na condução • Ausência de diodo intrínseco • Não suporta Avalanche • Geralmente a prova de curto-circuito Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 8

9. MosFet x IGBT • Para barramentos de baixa tensão (10 a 150V) – MosFet são a melhor opção • As perdas de condução dos transistores IGBTs são muito maiores • Para barramentos de tensão intermediária (170 a 400V): • MosFet são a melhor opção para potências menores que 250W • IGBT são a melhor opção para potências maiores que 250W • Para barramentos de tensão superiores a 400V – IGBT são a melhor opção Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 9

10. Regras para comando de transistores • A impedância de saída do “driver” deve ser baixa o suficiente para permitir um pico de corrente de modo a carregar a descarregar a capacitância de entrada do transistor; • Adaptar a impedância de saída do “driver” de modo a limitar o dVce/dt no bloqueio, i.e. fornecendo um controle da corrente de efeito Miller; • A resistencia total do circuito de “gate” deve ser menor que 5W de modo a amortecer e evitar oscilações entre o “driver” e a capacitância de entrada do transistor no momento do bloqueio; • As conexões entre o “driver” e o transistor devem ser curtas e não indutivas. Usar o terminal Kelvin do emissor (“source”) para evitar os efeitos devidos ao di/dt no terminal do emissor (“source”) de potência; • A impedância de saída do “driver” deve ser muito baixa durante o bloqueio para absorver a corrente de efeito Miller induzida pelo dV/dt aplicado a outros dispositivos. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 10

11. Disparo do transistor Formas de onda mais significativas no disparo Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 11

12. Disparo do transistor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 12

13. Bloqueio do transistor Formas de onda mais significativas no bloqueio Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 13

14. Bloqueio do transistor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 14

15. A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão: vGS(t) VDRV Dimensionamento do circuito de comando Transistor MosFet Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 15

16. vGE(t) VGEon VGEoff A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão: Dimensionamento do circuito de comando Transistor IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 16

17. Comando de transistores MosFet e IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 17

18. Isolamento do “Gate Drive” • Através de acopladores óticos ou fibra ótica • Problema: Fonte de alimentação para o lado isolado; • Limite da frequência de chaveamento Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 18

19. Isolamento do “Gate Drive” • Através de transformadores de pulso • Problema: Desmagnetização do transformador O comando e a energia para o lado isolado são fornecidos pelo transformador, permitindo os transistores conduzirem mais de 50% do período. Interessante em aplicações com baixa frequência de chaveamento. Limita o tempo de condução dos transistores a no máximo 50% do período. Interessante quando os transistores comutam em alta frequência Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 19

20. “Gate Drive” sem isolamento Emprego da técnica de “Level Shift” Problema: Limite dos tempos máximo e mínimo de condução do transistor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 20

21. “Gate Drive” sem isolamento Alimentação do circuito de comando empregando a técnica de “Bootstrap” A carga do capacitor que alimenta o circuito de comando do transistor superior, é feita através do interruptor inferior e do diodo de “Bootstrap”. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 21

22. “Gate Drive” sem isolamento Circuito auxiliar para carga inicial do capacitor de “Bootstrap” através de Dstart. Rstart e Dz Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 22

23. “Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT • Configuração “Totem-pole” com transistor bipolar ou Mosfet Configuração com BJT Configuração com Mosfet Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 23

24. “Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT • Configuração com desligamento automático Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 24

25. “Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT Quanto menor o resistor de “gate”, menor o tempo de chaveamento da tensão, mas o valor do resistor não afeta a cauda da corrente no transistor IGBT Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 25

26. Proteção de curto-circuito Não há como proteger os transistores Mosfet e IGBT contra curto-circuito empregando fusíveis. A energia nessária para queimar um transistor é muito menor que a energia necessária para a abertura do fusível. • Proteção ativa: • Medição da corrente atravessando o transistor através de um sensor de corrente ou shunt; • Medição da queda de tensão nos terminais do transistor, verificando a desaturação do transistor. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 26

27. Proteção de curto-circuitoProteção por desaturação A grande maioria dos circuitos integrados de acionamento de transistores Mosfet e IGBT utiliza a deteção de desaturação como mecanismo de proteção contra curto-circuito. A tensão nos terminais do transistor, a menos da queda de tensão em D1, é medida e comparada com Vref. Se esta tensão ultrapassar o valor de Vref, o transistor é bloqueado. No início da condução, a proteção é inibida, para permitir que a tensão nos terminais do transistor atinja o valor de saturação. Geralmente, o tempo de inibição, é um pouco superior ao tempo de ligamento do transistor ton Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 27

28. Proteção de curto-circuitoProteção por medição de corrente Medição da corrente através de um resistor “shunt” e um pequeno filtro para retirar o ruído de medição Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 28

29. Proteção de curto-circuitoProteção por medição de corrente O SenseFet possui um terminal através do qual é possível medir a corrente do transistor. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 29

30. Proteção de curto-circuito Durante o curto-circuito, a corrente no transistor pode alcançar valores de 6 a 10 vezes a corrente nominal. Se a indutância do barramento c.c. for elevada, durante o bloqueio do transistor aparece uma sobretensão VCE ou VDS sobre o transistor que pode danifica-lo. • Existem dois tipos de curto-circuito: • O transistor é ligado com a carga em curto-circuito; • O transistor é ligado em condições normais e depois acontece o curto-circuito da carga. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 30

31. Proteção de curto-circuitoTipo 1 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 31

32. Proteção de curto-circuitoTipo 2 Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 32

33. Proteção de curto-circuito • Soluções: • Na presença de um curto-circuito, limitar a derivada da corrente de gate no momento de desligamento do transistor. • Na presença de um curto-circuito, reduzir inicialmente a tensão VGS ou VGE, de modo a reduzir a corrente de curto-circuito e depois bloqueiar rapidamente o transistor. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 33

34. Proteção de curto-circuito Aumento do resistor de “Gate” durante o bloqueio devido a atuação da detecção de dessaturação do transistor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 34

35. “dV/dt Coupled Shoot Through” Quanto maior a derivada da tensão nos terminais do transistor, maior é a corrente IDV/DT. Se a tensão VGS atingir o valor de “threshold” o transistor pode entrar em condução Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 35

36. “dV/dt Coupled Shoot Through” • Soluções: • Baixar a impedância de saída do driver dos transistores (Rdriver); • Usar uma tensão negativa para garantir o bloqueio do transistor. A máxima tensão devido ao dV/dt é igual a tensão negativa mais a tensão de “threshold”. Sobretensão devido ao dV/dt elevado nos terminais do transistor Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 36

37. “Aplicação de optoacopladores” Optoacopladores convencionais não possuem blindagem de Faraday e não são adequados a aplicações de comando de transistores MosFets e IGBTs. Quando o transistor comuta, VE muda bruscamente de potencial VE Capacitâncias parasitas de acoplamento Esta corrente é subtraida da corrente foto-induzida, causando instabilidade e possibilidade de oscilação Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 37

38. “Aplicação de optoacopladores”Blindagem de Faraday Blindagem ótica transparente e eletricamente condutiva Esta blindagem forma um plano equipotencial para o fotodiodo, forçando toda a tensão de dv/dt de modo comum aparecer entre a blindagem e o led. A corrente injetada não circula pelo fotodiodo. Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 38

39. Referências • Site do prof. Javier Sebastián Zúñiga, Universidade de Oviedo, Curso de Sistemas de Alimentación, http://www.uniovi.es/ate/sebas/ • Site da Semikron, http://www.semikron.com • “Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits”, Lazlo Balogh, http://focus.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf • “CDV/DT Induced Turn-on in Synchronous Buck Regulators”, Thomas Wu, http://www.irf.com/technical-info/whitepaper/syncbuckturnon.pdf • “Drive Circuits for Power MOSFET and IGBTs”, B. Maurice & L. Wuidart, http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/3703.pdf • “MOSFET/IGBT Drivers Theory and Applications”, Abhijit D. Pathak, http://www.ixysrf.com/pdf/switch_mode/appnotes/5mosfet_driver_theory_and_applications.pdf • “Using Monolithic High Voltage Gate Drivers”, A. Merello & A. Rugginenti & M. Grasso, http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt04-4.pdf • “IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor) Differences between MOSFET and IGBT”, http://paginas.fe.up.pt/~fff/Homepage/Ficheiros/Siemens_IGBT_caract.pdf Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 39