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Cuidados ao usar MOSFETs de potência (ART665)

Diferentemente do pensamento comum, apesar de serem dispositivos de potência e portanto robustos, os MOSFETS e IGBTs não exigem maiores cuidados no manuseio ou mesmo nos testes. Não é verdade. Em interessante documentação técnica a International Rectifier mostra o que se deve e o que não se deve fazer quando se trabalha com MOSFETs de potência e IGBTs. Baseados nesse trabalho preparamos esse interessante artigo que todo profissional que trabalha com transistores de potência com portas MOS deve conhecer. Este artigo revisado em 2012 mantém sua atualidade, apenas acrescentando-se que podem ser encontrados outros artigos sobre o assunto neste site.

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.

 

1. Tenha em mente sempre as características inversas do dispositivo

Os IGBTs possuem uma capacidade inversa de bloqueio muito limitada, em torno de 20 a 30 V apenas e, além disso, apresenta uma fuga expressiva.

Além disso, eles possuem uma capacidade limitada de absorver energia quando polarizados no sentido inverso. Essa característica é expressa nas folhas de dado como EARV ou Reverse Avalanche Energy.

Trata-se da energia que o dispositivo pode absorver por esse eletrodo quando comuta cargas indutivas. Os IGBTs possuem, por essas características uma boa vantagem em relação aos transistores bipolares comuns e Darlingtons.

Para o caso dos MOSFETs eles possuem internamente um diodo anti-paralelo no próprio chip, conforme mostra a figura 1, o qual serve para absorver esses pulsos de polaridade inversa que são gerados na comutação de cargas indutivas.

 

 

Figura 1
Figura 1

 

 

2. Cuidado ao manusear e testas 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 ? 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.

 

3. 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 2.

 

 

Figura 2
Figura 2

 

 

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.

 

4. 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 3 mostramos como um pico de tensão é induzido no processo de comutação.

 

Figura 3
Figura 3

 

Na figura 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 4, mas a tensão que resta pode ainda ser perigosa para o dispositivo comutador.

 

Figura 4
Figura 4

 

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 5, em que temos um diodo zener em paralelo com o elemento comutador.

 

Figura 5
Figura 5

 

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 6 temos uma 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 6
Figura 6

 

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.

Um outro circuito usado no amortecimento da alta tensão gerada na comutação é o conhecido "snubber", mostrado na figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

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.

 

5. 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.

Existem cargas que em determinadas condições de funcionamento, tais como motores, elementos de aquecimento quando estão frios, que podem exigir correntes muito altas quando ligados.

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 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

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).

 

Conclusão

O que vimos são apenas algumas precauções básicas que devem ser tomadas quando se trabalha com semicondutores MOS de potência e IGBTs.

Outras precauções importantes incluem a manutenção do dispositivo dentro dos seus limites de temperatura, cuidados ao se observar o diodo de proteção interna e além disso tomar muito cuidado ao se analisar e comparar especificações de correntes de dispositivos que devam ser usados como substitutos numa aplicação.

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