O Site do Hardware Livre - OSHW

Curso de Eletrônica de Potência – Parte 4 - MOSFETs de Potência (CUR3004)

No nosso Curso de eletrônica – Eletrônica Analógica – estudamos o princípio de funcionamento dos transistores de efeito de campo MOS (Metal-Oxide Semiconductor). Uma breve recordação do princípio de funcionamento pode ajudar o leitor entender melhor como podemos obter transistores de efeito de campo capazes de operar com correntes intensas e tensões elevadas, ideais para aplicações de potência.

 

O MOSFET de potência

Conforme já estudamos MOSFET significa Metal-Oxide Semiconductor Field Effet Transistor, ou Transistor de Efeito de Campo de Metal-Óxido.

Nele, o que temos é uma estrutura como a mostrada na figura 1, em que duas regiões N são formadas sobre um substrato P.

Sobre o substrato forma-se uma finíssima película de material isolante que consiste num óxido de metal e sobre ela apóia-se uma região condutora metálica.

 

      Figura 1- Estrutura do MOSFET
Figura 1- Estrutura do MOSFET

 

 

Este é um transistor de canal N, mas podemos inverter a polaridade das regiões, obtendo um transistor de canal P.

 

No MOSFET descrito, quando uma tensão positiva é aplicada ao terminal de gate, ela cria na placa de metal (na verdade silício policristalino) um campo elétrico que forma uma região N, uma espécie de canal invertido no substrato, por onde a corrente pode circular entre o dreno e a fonte.

Este fenômeno que ocorre nos materiais semicondutores é denominado inversão-superficial.

O valor desta tensão determina a condutividade desta região e, portanto, as características de amplificação do dispositivo.

Para um transistor “invertido” ou de canal P, é preciso aplicar uma tensão negativa no gate para que o campo aplicado ao substrato forme uma região P condutora.

Na figura 2 temos os símbolos adotados para representar os dois tipos de transistores MOSFETs.

 

Figura 2 – Símbolos para os MOSFETs de canal N e P.
Figura 2 – Símbolos para os MOSFETs de canal N e P.

 

 

Nas regiões n são ligados dois eletrodos que serão a fonte (source) e o dreno (drain). Na placa metálica sobre a região semicondutora liga-se o eletrodo de controle que a comporta ou gate.

Para a comporta ou simplesmente porta, o termo “gate” é muito usado mesmo na documentação em português.

O funcionamento do MOSFET é, portanto, bem diferente do transistor bipolar em comum.

O transistor bipolar é um típico amplificador de corrente que opera com portadores de carga majoritários. Isso significa que este dispositivo controla a corrente a corrente entre coletor e emissor a partir de uma corrente de entrada.

O resultado é um dispositivo de baixa impedância de entrada.

Para os MOSFET a operação é através de portadores minoritários de carga. O MOSFET controla a corrente entre dreno e fonte a partir de uma tensão de entrada.

O resultado é um dispositivo de muito alta impedância de entrada.

Para um MOSFET podemos considerar a região que interliga o dreno à fonte, ou seja, o canal, como um resistor.

Quando aplicamos uma tensão ao gate, a inversão faz com que a resistência do mesmo reduza, com a condução da corrente. No entanto, este resistor não apresenta características lineares.

Como o MOSFET utiliza portadores majoritários na sua operação, ele não armazena cargas e com isso pode ser muito mais rápido que os transistores bipolares.

Um outro efeito muito importante que deve ser considerado vem justamente da física dos semicondutores.

Os materiais dispositivos semicondutores portadores minoritários têm um coeficiente negativo de temperatura, ou seja, sua resistência diminui quando a temperatura aumenta.

Assim os transistores bipolares tendem a diminuir a velocidade quando a temperatura aumenta e também a conduzir mais intensamente a corrente, levando a possibilidade da deriva térmica que estudamos no item anterior.

Por outro lado, os MOSFETs são dispositivos que operam com portadores majoritários, ficando mais rápidos quando a temperatura aumenta e também diminuindo a corrente de modo a compensar um efeito que causaria uma deriva térmica.

Uma consequência interessante da construção de um MOSFET é o aparecimento de um diodo parasita entre o dreno e a fonte, resultante da própria estrutura do componente, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – O diodo parasita no MOSFET
Figura 3 – O diodo parasita no MOSFET

 

 

Este diodo é interessante, pois serve justamente como elemento de proteção na comutação de cargas indutivas (diodo clamp).

Veja que não existe este diodo equivalente nos transistores comuns de potência, exceto nos Darlingtons onde ele precisa ser incluído.

Para uma construção normal, a estrutura de um MOSFET é muito pequena só suportando pequenas correntes.

A forma mais simples de se obter uma estrutura que suporte maior corrente é trabalhando com a geometria.

Assim, temos os V-MOS que possuem uma estrutura conforme a mostrada na figura 4 em que se obtém um canal maior fazendo com que ele penetre no substrato, adquirindo o formato de um “V”.

 

 

Figura 4 – O V-MOS
Figura 4 – O V-MOS

 

 

Se bem que seja uma forma de se obter um MOSFET de maior corrente não é a solução ideal.

Se a estrutura for aumentada simplesmente, características como a velocidade de operação e a tensão máxima de operação ficam comprometidas.

Assim, uma forma de se obter maior capacidade de corrente, consiste em montar diversas estruturas como esta em paralelo.

Existem então diversas tecnologias de montagem para os MOSFETs de potência como, por exemplo, as que damos a seguir:

 

Lateral MOSFET

Na figura 5 temos a estrutura de um MOSFET desse tipo que tem uma construção simples e apresenta uma grande eficiência dada a utilização mais proveitosa da superfície do material semicondutor.

 

Figura 5 – Construção de um Lateral MOSFET
Figura 5 – Construção de um Lateral MOSFET

 

 

As principais vantagens deste tipo de MOSFET são a pequena potência do sinal necessária a sua excitação e a alta velocidade de comutação.

A pequena potência se deve ao fato de que praticamente nenhuma corrente flui pelo depois que a pequena capacitância de gate é carregada.

A desvantagem está na alta resistência do canal havendo limitações para sua redução principalmente em relação aos custos.

 

MOSFET de Dupla Difusão

Na figura 6 temos um exemplo de estrutura de MOSFET que utiliza esta tecnologia.

 

   Figura 6 – MOSFET de Dupla Difusão
Figura 6 – MOSFET de Dupla Difusão

 

 

Para se obter maior capacidade de corrente, muitas regiões N das fontes são ligadas em paralelo formando células.

Num único transistor podemos encontrar de 5 000 a 25 000 dessas células, o que contribui para reduzir a resistência entre o dreno e a fonte (Rdson) tornando assim o transistor muito mais eficiente, inclusive aumentando a velocidade de comutação.

Para este tipo de estrutura existem diversos arranjos possíveis como, por exemplo, disposições em quadrados, triângulos, hexágonos, etc.

Na figura 7 temos um exemplo de estrutura em hexágonos formando células paralelas, de modo que cada célula se comporta como um MOSFET independente, todos ligados em paralelo.

 

 

   Figura 7 - Estrutura em hexágonos formando células num MOSFET de potência
Figura 7 - Estrutura em hexágonos formando células num MOSFET de potência

 

 

MOSFET Vertical

Esta é uma outra estrutura possível para a construção de MOSFETs de potência. Na figura 8 mostramos como ela é numa vista em corte muito ampliada.

 

Figura 8 – O MOSFET vertical
Figura 8 – O MOSFET vertical

 

 

Este tipo de MOSFET pode ser utilizado exatamente como os demais, apresentando boa capacidade de manuseio de correntes elevadas.

 

MOSFET T

Este MOSFET utiliza um outro tipo de estrutura que o torna bastante eficiente no manuseio de correntes elevadas e também em termos de velocidade.

Na figura 9 temos esta estrutura.

 

   Figura 9 – MOSFET T
Figura 9 – MOSFET T

 

 

Nesta estrutura a superfície superior corresponde totalmente à conexão à fonte.

Uma das vantagens deste tipo de estrutura é a sua facilidade de construção.

A capacidade de condução de um MOSFET e, portanto, sua potência máxima está diretamente ligada a resistência que ele apresenta entre o dreno e a fonte denominada Rds(on).

Como em qualquer componente, a quantidade de calor gerado é dada pela corrente que ele conduz e pela queda de tensão entre os seus terminais, no caso do MOSFET, a resistência entre o dreno (d) e a fonte (s).

Se essa resistência for baixa, a queda de tensão é pequena e, com isso, a quantidade de calor gerada na condução é baixa.

Hoje em dia, a preocupação maior dos fabricantes é oferecer MOSFETs que tenham as Rds(on) as mais baixas possíveis sendo comuns os valores da ordem de fração de ohm.

Com a utilização das estruturas triangulares, quadradas ou hexagonais com muitas células ligadas em paralelo, é como se a resistências entre dreno e fonte ficassem em paralelo, possibilitando a obtenção de Rds(on) muito baixas.

Nos MOSFETs comuns podemos encontrar de 5 000 a 25 000 células ligadas em paralelo num único componente.

Os MOSFETs podem operar com tensões de até mais de 1 000 V dependendo do tipo e com correntes muito intensas que, em alguns casos, chegam a várias dezenas de ampères.

Podemos então controlar potências de carga de elevados valores, com um ganho muito elevado, o que torna estes dispositivos ideais para uso em fontes de alimentação de computadores, amplificadores de áudio, controle de solenoides, motores, relés e lâmpadas.

No entanto, existem problemas a ser considerados quando usamos esses componentes.

A fina camada de óxido que isola o eletrodo de controle (gate) do canal pode ser rompida com facilidade por uma tensão mais elevada.

Assim, descargas estáticas que ocorram no manuseio podem furar essa capa e inutilizar o componente, conforme mostra a figura 10.

 

 

    Figura 10 – Descargas estáticas podem inutilizar o componente
Figura 10 – Descargas estáticas podem inutilizar o componente

 

 

Cuidados especiais no manuseio, transporte e armazenamento são recomendados.

 

 

Utilização

Conforme vimos, enquanto que num transistor bipolar NPN é preciso aplicar uma tensão positiva na base para que a junção base-emissor seja polarizada no sentido direto e ele conduza, num MOSFET preciso aplicar uma tensão positiva ao gate para que ela crie o campo que libere a passagem a corrente pelo canal.

No transistor bipolar uma tensão da ordem de 0,7 V é suficiente para se obter a polarização, mas num MOSFET precisamos de uma tensão maior.

Isso significa que precisamos de tensão mais alta para excitar estes transistores.

Conforme mostra a família de curvas de um destes componentes na figura 11, precisamos de pelo menos 2 V para que ele conduza e para um bom funcionamento precisamos bem mais.

 

Figura 11 – Família de curvas de um MOSFET
Figura 11 – Família de curvas de um MOSFET

 

 

Veja que, para conseguirmos as maiores correntes entre o dreno e a fonte precisamos de tensões elevadas de gate, que superam os 7 V.

Observamos também que, como num transistor bipolar comum, temos uma região linear em que o dispositivo trabalha como um amplificador e uma região de saturação em que o dispositivo trabalha como um comutador.

Na região linear podemos usá-lo como um amplificador de sinais, por exemplo, um amplificador de áudio ou ainda numa etapa que gere sinais senoidais para um transdutor ultrassônico a partir de um oscilador.

As características lineares deste componente, que não possui um ponto de crossover que nos transistores bipolares afeta a fidelidade de reprodução, permitem que os MOSFETs sejam usados em excelentes amplificadores de áudio, com etapas como a mostrada na figura 12.

 

 

Figura 12 – Etapa de saída com V-MOS de potência para amplificador de áudio
Figura 12 – Etapa de saída com V-MOS de potência para amplificador de áudio

 

 

No modo saturado podemos usá-lo para controlar cargas de alta corrente como motores, solenoides, lâmpadas, atuadores, etc.

Veja, entretanto, que esta necessidade de se ter uma tensão algo elevada para sua comutação traz algumas dificuldades quando pretendemos fazer o controle a partir de lógica digital.

Assim, os 5 V que obtemos na saída dos circuitos integrados TTL são insuficientes para saturar um MOSFET.

Uma saída é usando um resistor pull-up (ligado ao positivo da alimentação com um CI open-collector).

Na figura 13 temos o modo de se fazer isso.

 

 

Figura 13 – Usando um CI open collector com resistor pull-up
Figura 13 – Usando um CI open collector com resistor pull-up

 

 

O ideal é utilizar circuitos excitadores apropriados para se obter uma tensão de driver maior e para isso existem diversas configurações possíveis.

Na figura 14, por exemplo, temos um circuito em push-pull com transistores bipolares que utiliza uma alimentação de 15 V.

 

Figura 14 – Usando transistores bipolares
Figura 14 – Usando transistores bipolares

 

 

Um circuito completo para excitação por TTL usando transistores bipolares é mostrado na figura 15.

Observe o uso do resistor pull-up com alimentação de 15 V.

 

 

     Figura 15 – Circuito de excitação TTL
Figura 15 – Circuito de excitação TTL

 

 

Além disso, como um circuito de alta impedância, temos dois elementos parasitas que influem no modo com esse componente deve ser polarizado.

Em série com a comporta (g) temos um resistor R que representa a fuga que existe no isolamento entre a comporta e o canal, já que ele não é perfeito. Esse resistor tem um valor da ordem de muitos megohms.

A corrente que circula nestas condições é da ordem de nanoampères.

Temos ainda uma capacitância que aparece entre a comporta e a fonte e entre a comporta e o dreno, também de valor muito baixo.

Na figura 16 temos as duas capacitâncias combinadas.

 

 

Figura 16 – Circuito equivalente de entrada de um MOSFET
Figura 16 – Circuito equivalente de entrada de um MOSFET

 

 

Essa resistência e a capacitância de entrada determinam algumas características importantes do MOSFET que veremos mais adiante.

De qualquer forma, quando comparamos os MOSFETs com os bipolares, vemos diferenças importantes dadas na tabela mais adiante.

Para os circuitos integrados CMOS o disparo é mais simples, já que eles podem ser alimentados com tensões de 10 V ou mais, ideais para se comutar um MOSFET.

No entanto, eles não são rápidos e isso pode limitar sua aplicação num projeto.

Os melhores resultados serão sempre obtidos quando um circuito apropriado for intercalado entre lógica TTL ou CMOS e o MOSFET.

 

 

Comparação entre MOSFETs de Potência e Transistores Bipolares de Potência

 

MOSFETs BIPOLAR
Dispositivo de portadores de carga majoritários Dispositivo de portadores de carga minoritários
Não apresenta efeitos de armazenamento de cargas Apresenta efeitos de armazenamento de cargas entre a base e o coletor
Alta velocidade de comutação, menos sensível à temperatura que os bipolares Baixa velocidade de comutação, sensível à temperatura
Corrente de Drift (processo rápido) Corrente de difusão (processo lento)
Excitado por tensão Excitado por corrente
Impedância de entrada puramente capacitiva; não exige corrente DC Baixa impedância de entrada; exige corrente DC
Circuito de excitação simples Circuito de excitação completa devido à alta corrente de base exigida
Coeficiente de temperatura predominantemente negativo na resistência Coeficiente de temperatura predominantemente positivo na corrente de coletor
Sem deriva térmica Apresenta deriva térmica
Os dispositivos podem ser ligados em paralelo com algumas precauções Os dispositivos não podem ser ligados em paralelo facilmente devido a problemas de casamento de Vbe e concentração local de correntes.
Menos susceptível à segunda barreira de ruptura Susceptível à segunda barreira de ruptura
Característica I-V seguindo a lei do quadrado em baixas correntes, e característica I-V linear para altas correntes Característica I-V exponencial
Operação linear maior e menos harmônicas Maiores produtos de intermodulação e modulação cruzada
Baixa resistência no estado on (baixa tensão de saturação) devido a modulação de condutividade da região de alta condutividade Alta resistência no estado on e, portanto, maiores perdas de condução
Corrente de dreno proporcional à largura do canal Corrente de coletor aproximadamente proporcional ao comprimento da linha de emissor e sua área
Baixa transcondutância Alta transcondutância
Alta tensão de ruptura devido a região levemente dopada da região de bloqueio do canal de dreno. Alta tensão de ruptura devido a região levemente dopada da junção base-coletor.

 

Faremos no próximo item, em que estudaremos os IGBTs, uma nova comparação entre o MOSFET e aquele componente.

 

Invólucros

Os invólucros utilizados pelos fabricantes de MOSFETs são praticamente os mesmos utilizados para os transistores de potência.

Além dos tipos padronizados JEDEC com designações TO, por exemplo, temos também alguns tipos específicos.

Na figura 17 temos alguns exemplos de invólucros de MOSFETs de potência comuns.

 

 

Figura 17 - Invólucros para MOSFETs da série OptMOS da Infineon e um MOSFET com invólucro metálico da International Rectifier
Figura 17 - Invólucros para MOSFETs da série OptMOS da Infineon e um MOSFET com invólucro metálico da International Rectifier

 

 

Um fator importante que facilita o uso dos MOSFETs de potência é a baixíssima resistência Rds(on) que pode ser obtida atualmente com as tecnologias que cada vez mais se aperfeiçoam.

Com isso, podemos obter MOSFETs com grandes capacidades de corrente e dissipações muito pequenas (Rdson muito baixas).

O resultado é que diferentemente dos bipolares de potência, podemos ter MOSFETs de potência em invólucros SMD, conforme mostramos na figura 14.

 

SOAR

Da mesma forma que no caso dos transistores bipolares, as condições de dissipação devem ser observadas quando os utilizamos.

Na figura 18 temos a curva SOA para um MOSFET de potência típico.

 

 

    Figura 18 – Característica SOA para um MOSFET de potência
Figura 18 – Característica SOA para um MOSFET de potência

 

 

Esta curva é para o MOSFET típico que tem uma corrente de dreno máxima de 1000 A e uma tensão máxima (Vdds) entre dreno e fonte de 40 V.

A Rds(on) deste componente é de 0,15 ohms com uma dissipação máxima de 150 W.

Observe que temos uma delimitação da área para operação continua e uma delimitação para operação com pulsos.

Também temos uma área cuja operação é limitada pela Rds(on).

Como nos transistores bipolares de potência, quem utilizar um MOSFET de potência deve tomar cuidado para que as condições de operação não saiam da área segura.

Por exemplo, uma operação com 10 V x 10 A estará na área segura, mas com 20 A, ele estará fora.

Nos datasheets dos MOSFETs de potência a curva SOA está sempre presente, possibilitando assim ao projetista verificar se os pontos de operação que se pretende para o componente estão na área segura.

 

Características e Especificações

Os Power MOSFETs são especificados por um número de fábrica. De posse deste número, consultando manuais ou folhas de dados podemos chegar as especificações. As principais são:

 

Máxima tensão entre dreno e fonte (Vds)

É a máxima tensão que o MOSFET pode manusear sem queimar. Para os tipos comuns está entre 20 e 600 V. Esta especificação também pode ser dada como Vds(max).

 

Máxima corrente de dreno (Id)

É a máxima corrente que pode atravessar o componente quando em operação. Os MOSFETs de potência mais comuns podem controlar correntes de 1 a mais de 1 000 A .

 

Potência de dissipação (Pd)

É a potência máxima que o componente pode dissipar. Existem tipos comuns que chegam a mais de 200 W.

 

Resistência entre dreno e fonte (Rds)

Trata-se da resistência que o componente apresenta a plena condução (on).

Esta resistência é muito importante, pois determina a quantidade de calor que o componente vai dissipar numa aplicação. Quanto menor for o valor da Rds(on) de um MOSFET de potência mais eficiente ele é no controle de correntes elevadas.

Tipos comuns podem ter uma resistência entre dreno e fonte menor que 0,01 ohms. Muitos equipamentos modernos usam MOSFETs de potência para o controle de motores, solenoides e outras cargas de alta corrente.

 

Capacitâncias entre os eletrodos (Cgs, Cgd, Cds)

Temos três capacitâncias presentes num MOSFET de potência. O fato da comporta ser isolada dos demais eletrodos faz com que ela se comporte como a armadura de um capacitor.

Essa capacitância é importante nos circuitos de comutação, conforme vimos, pois antes do MOSFET ligar, ao ser estabelecido o sinal de comporta, este capacitor precisa ser carregado.

Assim, estas capacitâncias determinam a velocidade de comutação e também a energia que deve ser gasta no processo que é dada pelo tempo e intensidade da corrente de carga do capacitor.

Na figura 19 temos as três capacitâncias indicadas.

 

Figura 19 – As capacitâncias dos MOSFET
Figura 19 – As capacitâncias dos MOSFET

 

 

Os valores típicos destas capacitâncias são da ordem de picofarads.

No entanto, estas capacitâncias são indicadas de outra forma nos datasheets, conforme se segue:

Ciss = Cgs + Cgd

Coss = Cds + Cgd

Crss = Cgd

 

 

Onde:

Ciss é a capacitância de entrada no terminal de gate em, relação ao dreno e a fonte.

Coss é a capacitância de saída, medida entre com o gate ligado à fonte.

Crss é denominada capacitância de transferência inversa.

 

 

Tempos

A aplicação mais comum para os MOSFETs de potência é na comutação de cargas de alta potência, em drivers, inversores de frequência, controles de motores, etc.

Assim, os tempos de operação relacionados com este componente são de vital importância para sua utilização prática.

Por esse motivo, separamos os tempos relacionados com a operação dos MOSFETs das demais características, dada sua importância. A seguir os principais tempos:

 

Tempos para comutação de comporta:

 

a) Turn-on delay (tempo para ligar) - é o intervalo de tempo que decorre entre a aplicação de um pulso na entrada (Vin) até que a saída atinja 90% de sua amplitude máxima (V1).

 

b) Turn-on rise time (tempo de subida) - é o tempo que, após a aplicação do pulso de comutação, a corrente de dreno demora para subir de 10% para 90% de seu valor máximo.

 

c) Turn-off delay (tempo para desligar) - é o contrário do turn-on time, ou seja, o tempo que decorre a partir do momento em que o pulso de disparo deixa de ser aplicado até que a tensão de saída cai para 10% de seu valor máximo.

 

d) Turn-off fall time (tempo de descida) - é o tempo que decorre entre o instante em que o sinal de entrada deixa de aplicada, para que a corrente de dreno caia de 90% de seu valor máximo para 10% deste valor.

 

 

Tempos para comutação de dreno:

 

e) Turn-on delay (intervalo de tempo para ligar) - é o intervalo de tempo que decorre entre a aplicação do pulso de entrada até que a corrente de dreno atinja 10% de seu valor máximo.

 

f) Turn-on fall time (tempo de descida ao ligar) - É o tempo que decorre entre a aplicação do pulso de entrada até que a tensão na saída (V2) caia a 10% do valor máximo.

 

g) turn-off delay (tempo de desligamento) - intervalo de tempo para que a corrente cai de 90% a 10% de seu valor máximo após o pulso de comutação na entrada.

 

h) Turn-on off rise time (tempo de subida no desligamento) - é o intervalo que decorre entre o instante em que o pulso de comutação deixa de ser aplicado e a tensão de saída (dreno) sobe para 90% de seu valor máximo.

 

Na figura 20 temos as identificações dos tempos indicados.

 

 Figura 20 – Temos de comutação do MOSFET
Figura 20 – Temos de comutação do MOSFET

 

 

 

Amplificadores Lineares com MOSFETs

Outra aplicação importante para os MOSFETs de potência é na amplificação de sinais, por exemplo, em amplificadores de áudio.

Além das aplicações em eletrônica de consumo (amplificadores de alta-fidelidade), os amplificadores lineares também podem ser utilizados em aplicações industriais como, por exemplo, na amplificação de sinais senoidais para transdutores ultrassônicos, além de outras.

As características deste componente, sem um ponto de crossover, como ocorre com os transistores bipolares, fazem com que as características de fidelidade dos amplificadores que o utilizem sejam excelentes, se aproximando da qualidade dos amplificadores valvulados.

Na figura 21, o leitor poderá ver um exemplo de aplicação em que temos um amplificador de áudio utilizando MOSFET podendo fornecer potências de mais de 100 W a um alto-falante num amplificador.

 

  Figura 21 – Amplificador de áudio com MOSFET
Figura 21 – Amplificador de áudio com MOSFET

 

 

Vamos explicar melhor porque a qualidade de som deste tipo de amplificador é melhor do que a de um amplificador que usa transistores bipolares comuns.

Conforme já estudamos, um transistor bipolar comum só começa a conduzir realmente a corrente quando a tensão em sua base atinge uns 0,6 V. Isso significa que se tivermos um sinal senoidal, quando a tensão passa pelo ponto de zero volt, ou seja, cruza a linha de zero volt, c

Conforme o leitor poderá constatar pela figura 22, o transistor não acompanha esta variação de modo linear.

 

Figura 22 – A distorção por “crossover” (cruzamento)
Figura 22 – A distorção por “crossover” (cruzamento)

 

 

Neste cruzamento, chamado de “crossover” em inglês, o transistor manifesta esta impossibilidade de trabalhar com tensões abaixo de 0,6 V, e com isso causa uma distorção do sinal. Se bem que pequena, ela pode significar uma perda da fidelidade de sinal que nos amplificadores comuns pode ficar entre 0,1 e 2% tipicamente.

No entanto, os transistores MOS de potência, como todos os FETs não apresentam o ponto de crossover nas condições normais de operação, o que significa que não ocorre este tipo de distorção na amplificação de sinais de áudio.

O resultado é que, com estes transistores podemos elaborar etapas de saída de amplificadores de áudio com taxas de distorção tão baixas como 0,001%.Sem dúvida, uma taxa tão pequena de distorção não pode ser percebida pelo ouvido mais sensível.

 

Na Prática

Os transistores de efeito de campo de potência (Power-FETs, V-FET, D-FET e outros) podem controlar correntes muito intensas e por isso encontram algumas aplicações importantes nos equipamentos elétricos comuns. A principal é em fontes de alimentação. As fontes de alimentação de uma grande quantidade de equipamentos modernos são tipo chaveado e operam com correntes intensas.

Nelas, um transistor de alta potência, normalmente um MOSFET de potência, funciona como uma chave que abre e fecha rapidamente, determinando quanto de corrente passa e com isso a tensão na saída.

Um circuito apropriado determina o tempo de fechamento do transistor em função da tensão de saída, ou seja, faz a regulagem. Um componente cujas características se aproximam bastante das dos transistores de efeito de campo é a válvula pentodo.

Antigamente, as etapas de saída de amplificadores de alta fidelidade eram feitas com este tipo de válvula. Na figura 23 o leitor poderá ver uma etapa típica em “push-pull”, como já conhecemos das lições anteriores, mas com válvulas pentodo de potência.

 

 

 Figura 23 – Etapa de saída em push-pull com válvulas
Figura 23 – Etapa de saída em push-pull com válvulas

 

 

Entretanto, ao lado da qualidade de som, garantida pela não existência da distorção por crossover, tais etapas apresentavam uma série de inconvenientes, além do fato das válvulas precisarem de muito mais energia para funcionar e serem componentes volumosos.

Os transformadores deveriam ter características especiais, e para potências elevadas consistiam em componentes pesados e caros. Um transformador de saída para um amplificador, do tipo “ultra-linear”, não pesava menos de 3 quilos!

 

Cuidados no Uso

Muitos leitores podem pensar que, por serem dispositivos de potência e portanto robustos, os MOSFETS assim como os IGBTs, que ainda estudaremos, não exigem maiores cuidados no manuseio ou mesmo nos testes.

Neste item mostramos o que se deve e o que não se deve fazer quando se trabalha com MOSFETs de potência e IGBTs.

Apesar de serem dispositivos de potência capazes de operar com tensões elevadas entre o dreno e a fonte, e de conduzirem correntes intensas, a presença de um elemento MOS de controle os torna sensíveis à problemas de descargas estáticas e de sobretensões nesses eletrodos.

Um pico de tensão indevido nesse eletrodo pode danificar de modo irreversível o componente.

A presença dessas portas também exige cuidados quando os MOSFETs de potência são testados, pois nesse procedimento tensões indevidas podem ser aplicadas com os mesmos resultados catastróficos finais.

A seguir aremos algumas informações importantes que o profissional deve ter em mente quando trabalha com esses dispositivos.

 

Tenha em mente sempre as características inversas do dispositivo

Os MOSFETs eles possuem internamente um diodo anti-paralelo no próprio chip, conforme mostra a figura 24, o qual serve para absorver esses pulsos de polaridade inversa que são gerados na comutação de cargas indutivas.

 

Figura 24 – Os MOSFETs possuem um diodo anti-paralelo na sua própria estrutura.
Figura 24 – Os MOSFETs possuem um diodo anti-paralelo na sua própria estrutura.

 

 

Cuidado ao manusear e testar MOSFETs de Potência

O manuseio direto do componente pode causar danos se ocorrer uma descarga eletrostática. Para evitar problemas são dadas as seguintes recomendações:

Os dispositivos com portas MOS devem ser mantidos em suas embalagens anti-estática ou em recipientes metálicos até serem testados ou usados. De preferência, a pessoa que os manuseia deve estar aterrada.

Os dispositivos devem ser manuseados segurando-se pelo invólucro e não pelos terminais.

Ao testar, deve-se assegurar que os equipamentos de teste estão devidamente aterrados.

Deve-se sempre antes ligar os terminais de teste ao componente para somente depois energizá-los.

Se o dispositivo for testado com um traçador de curvas deve-se ligar em série com a comporta um resistor de 100 ohms para amortecer oscilações espúrias.

Ao se mudar a faixa de testes do instrumento, deve-se assegurar que a tensão aplicada ao dispositivo seja reduzida a zero.

 

Tome cuidado com picos de tensão entre a comporta e a fonte.

A capa isolante entre a comporta e o substrato do dispositivo é extremamente fina podendo ser rompida por picos de tensão relativamente baixos, conforme mostra a figura 25.

 

Figura 25 – Picos de tensão no MOSFET
Figura 25 – Picos de tensão no MOSFET

 

 

Vemos, por essa figura que assumindo que a impedância da fonte excitadora seja alta, qualquer pulso positivo de comutação será refletido como um transiente positivo. A intensidade desse pulso depende das capacitâncias envolvidas no processo.

Pela mesma figura, vemos que isso também ocorre quando o dispositivo é desligado, ou seja, na transição negativa, quando não existe nenhum recurso de amortecimento.

A taxa de produção desse transiente de comporta varia entre 1 e 6. Assim, uma variação na tensão dreno-fonte de 600 V pode refletir numa variação da tensão entre comporta e fonte de 50 V.

Na prática, como os dispositivos MOS conduzem com aproximadamente 4 V, a transição positiva não causa problemas. No entanto, a transição negativa pode causar picos que superam a capacidade de isolamento do dispositivo. O projetista deve estar atento a esse fato.

Além do amortecimento da carga comutada pelo uso de diodos, deve-se também cuidar para que a impedância do circuito de comporta seja a mais baixa possível.

 

Cuidado com os Picos de Coletor ou Dreno

Picos de tensão no dreno ou no coletor induzidos pela comutação de cargas indutivas são perigosos. Na figura 26 mostramos como um pico de tensão é induzido no processo de comutação.

 

Figura 26 – Transiente de comutação de carga indutiva
Figura 26 – Transiente de comutação de carga indutiva

 

 

Na figura 26 mostramos o que ocorre quando o dispositivo é desligado, com a tensão gerada pela presença de uma indutância no circuito. Tanto mais rápido o dispositivo, maior será a tensão gerada nesse processo.

Na prática um amortecimento reduz essa tensão, conforme mostra a figura 27, mas a tensão que resta pode ainda ser perigosa para o dispositivo comutador.

 

Figura 27 – Redução do amortecimento por um diodo
Figura 27 – Redução do amortecimento por um diodo

 

 

O que ocorre é que o diodo amortecedor, ligado em paralelo com a carga indutiva, não tem uma ação instantânea e, além disso, apresenta uma certa resistência.

O projetista de circuitos comutadores de cargas indutivas deve tomar muito cuidado para não deixar indutâncias parasitas que possam afetar a ação do diodo. Além disso, deve estar atento para a quantidade de energia que o dispositivo pode manusear nas condições de comutação. As folhas de dados devem ser lidas com atenção.

Uma possibilidade importante é a mostrada na figura 28, em que temos um diodo zener em paralelo com o elemento comutador.

 

Figura 28 – Usando um diodo zener
Figura 28 – Usando um diodo zener

 

 

O dispositivo usado no amortecimento dos picos de comutação deve ser conectado o mais próximo quanto seja possível dos terminais de dreno e fonte.

Na figura 29 temos outra alternativa para ajudar no amortecimento de picos gerados na comutação de cargas indutivas. Trata-se de um circuito de amortecimento que usa um diodo, um capacitor e um resistor.

 

Figura 29 – Circuito de amortecimento bem elaborado
Figura 29 – Circuito de amortecimento bem elaborado

 

 

O capacitor atua como um reservatório armazenando a energia gerada na comutação enquanto que o resistor deve ser dimensionado para ser capaz de absorver a energia gerada no processo de comutação da carga indutiva.

Outro circuito usado no amortecimento da alta tensão gerada na comutação é o conhecido “snubber”, mostrado na figura 30.

 

Figura 30 – Usando um snubber
Figura 30 – Usando um snubber

 

 

O que temos é um circuito ressonante em série que amortece o transiente gerado, produzindo uma oscilação amortecida onde o resistor dissipa a energia desenvolvida no processo.

 

Não exceder os limites de corrente

Todos os dispositivos de potência possuem especificações do pico máximo de corrente que podem conduzir. Esses limites nunca devem ser excedidos.

Uma técnica usada para se evitar que esses limites não sejam superados consiste no uso de dispositivos sensores de corrente. Esses circuitos desligam automaticamente o circuito se a corrente superar determinado valor.

Um caso importante em que picos de corrente podem ser gerados é mostrado na figura 31.

 

Figura 31 – Picos de comutação de dois MOSFETs em série
Figura 31 – Picos de comutação de dois MOSFETs em série

 

 

Esse pico pode ser gerado quando se passa do estado de condução de um transistor para outro. Isso ocorre pelo tempo de recuperação dos diodos usados na proteção dos transistores.

Quando um dos transistores entrar em condução, o diodo que protege o outro dispositivo pode não ter ainda se recuperado do estado de condução e com isso temos praticamente um curto-circuito gerando um forte transiente de corrente. Esse transiente pode causar danos ao dispositivo semicondutor.

A solução para se evitar problemas desse tipo é usar um diodo com um tempo muito curto de recuperação (fast recovery diode ou diodo de recuperação rápida).

 

 

 


 

Índice Geral

Parte 1 - Unidades - Energia

Parte 2 - Diodos

Parte 3 - Transistores Bipolares de Potência

Parte 4 - MOSFETs de Potência

Parte 5 - Os IGBTs

Parte 6 - Tiristores – O SCR 

Parte 7 - Tiristores – O Triac

BUSCAR DATASHEET


N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

Opinião

Mês de Muito Trabalho (OP197)

   Estamos em setembro de 2018 e continuamos com nosso trabalho, realizando palestras, viagens, escrevendo artigos, livros e muito mais. Em nossas duas últimas palestras, uma na Uninove e a outra na ETEC Albert Einstein, ambas de São Paulo, pudemos constatar de forma bastante acentuada um fato importante , que constantemente salientamos em nosso site desde seu início. 

Leia mais...

Caráter
O caráter de um homem é o seu destino.
Heráclito (540 480 a.C. ?) - Fragmentos - Ver mais frases


Instituto Newton C Braga
Entre em contato - Como Anunciar - Políticas do Site

Apoio Social
Lions Clube de Guarulhos Sul SOS Mater Amabilis
Advertise in Brazil
If your business is Electronics, components or devices, this site is the correct place to insert your advertisement (see more)