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Como Usar Power FETs (ART1827)

As características dos transistores de efeito de campo de potência tornam estes componentes ideais para o chaveamento de correntes intensas, ou ainda como amplificadores. No entanto, estas características são diferentes das dos transistores bipolares de potência normalmente encontrados em circuitos que exercem estas funções. Conhecê-las é fundamental para um projeto bem feito. O artigo que apresentamos é uma adaptação do Application Note AN-558 da National Semiconductor, que mostra como funciona e como devemos usar corretamente um FET de potência.

Os transistores de efeito de campo de potência (Power MOSFE Ts) estão disponíveis basicamente nas versões de enriquecimento de canal N, duplamente difundidos.

Estes transistores podem realizar as mesmas funções dos transistores bipolares de junção, exceto pelo fato de que eles são dispositivos controlados por tensão, e não por corrente.

O fato dos FETs de potência apresentarem uma impedância de entrada elevada e serem dispositivos com portadores majoritários de corrente faz com que eles não sofram os efeitos do armazenamento de portadores, deriva térmica ou segunda barreira de ruptura.

 

OPERAÇÃO

Na figura 1 temos a estrutura básica de um MOSFET de potência.

 

 

  Fig. 1 - Seção transversal de um Power-FET lateral de canal N.
Fig. 1 - Seção transversal de um Power-FET lateral de canal N.

 

Sem polarização alguma aplicada à comporta (gate G), nenhuma corrente flui entre o dreno e a fonte (em ambas as direções) porque sempre existe uma junção PN bloqueando esta corrente.

Quando a comporta é polarizada no sentido direto em relação à fonte (S), como mostrado na figura 2, as Iacunas livres que funcionam como portadores de carga na camada epitaxial P são repetidas para longe da área da comporta criando um canal por onde podem fluir elétrons da fonte para o dreno.

Note que, desde que as lacunas tenham sido repelidas do canal de comporta, os elétrons se tornam portadores majoritários de cargas por default.

Este modo de operação é chamado "de enriquecimento", mas é mais fácil pensar no modo de operação como se o dispositivo se mantivesse normalmente desligado.

 

Figura 2 - Polarização do MOSFET lateral.;
Figura 2 - Polarização do MOSFET lateral.;

 

O modo de operação oposto é denominado "deplexão", que leva a um dispositivo que permanece normalmente ligado (ON).

O transistor tomado como exemplo é do tipo "Lateral MOSFET" e tem vantagens e desvantagens.

 

As vantagens são:

1. Requer muito pouca potência de comporta. Não há circulação de corrente pela comporta uma vez que a pequena capacitância que r existe neste eletrodo seja carregada.

2. As velocidades de comutação são elevadas, já que os elétrons podem começar a circular do dreno para a fonte tão logo o canal seja aberto. A largura do canal é proporcional à tensão aplicada à comporta e fecha tão logo esta tensão seja removida. Não existe, portanto, efeito de tempo de armazenamento que ocorre com transistores bipolares.

 

As desvantagens principais são:

1. Canais de alta resistência. Na operação normal, a fonte é eletricamente conectada ao substrato. Sem polarização, a região de deplexão se expande para fora do dreno N+, com um formato pseudo-hemisférico. O comprimento do canal não pode ser feito menor do que a largura mínima de deplexão necessária para suportar a tensão especificada para o dispositivo.

 

2. A resistência do canal pode ser reduzida pela utilização de canais mais largos, mas isso aumenta o custo do dispositivo por exigir mais silício. Este recurso também reduz a velocidade de comutação do dispositivo pelo aumento da capacitância de comporta.

 

 

MOSFETs VERTlCAlS

Os MOSFETS verticais (também chamados de DMOS) têm a estrutura mostrada na figura 3.

 

 

   Figura 3 – DMOS Vertical
Figura 3 – DMOS Vertical

 

 

O caminho da corrente é criado pela inversão da camada P por baixo da comporta através de método igual ao dos MOSFETs laterais.

A corrente da fonte flui por baixo da área da comporta e verticalmente através do dreno, espalhando-se por baixo à medida que flui.

Um MOSFET típico consiste em muitos milhares de fontes N+ conduzindo em paralelo.

Este tipo de arquitetura torna possível geometrias de projetos que apresentam baixas resistências no estado de condução (Rds(on)) para a mesma tensão de bloqueio, e alta velocidade de comutação quando comparados aos FETs laterais.

Existem muitos modos de se projetar o MOSFET vertical, tais como entalhes em V, em U, e muitas formas de fontes como quadradas, triangulares, hexagonais, etc.

Todos os MOSFETS comercialmente disponíveis com tensões acima de 300 V são fabricados com estrutura similar à mostrada na figura 3.

As principais considerações que determinam a geometria da fonte são a ds(on), capacitância de entrada, tempo de comutação e transcondutância.

 

O Diodo Parasita

As primeiras versões dos MOSFETs eram muito susceptíveis à tensão de ruptura devido a transientes de tensão, e também tinham uma tendência para ligar sob crescimento muito rápido da tensão dreno/fonte (dV/dt), ambos resultando em falhas catastróficas.

O problema da tendência a ligar sob altas taxas de crescimento da tensão de entrada (dV/dt) ocorre por causa do transistor parasita NPN incorporado à estrutura do MOSFET, como mostrado na figura 4a.

 

 

   Figura 4a – Transistor parasita NPN num MOSFET
Figura 4a – Transistor parasita NPN num MOSFET

 

 

A corrente que flui para carregar a capacitância da junção Cdg funciona como uma corrente de base para este transistor tendendo a levá-lo à condução.

A ação do transistor NPN parasita pode ser suprimida colocando-se em curto a fonte N+ ao corpo P+ através da metalização da fonte.

Isso cria um diodo PN inerente ligado em anti-paralelo ao transistor MOSFET, conforme mostra a figura 4b.

 

 

   Figura 4b – Diodo parasita
Figura 4b – Diodo parasita

 

 

Devido à grande superfície da região da junção deste diodo, a sua capacidade de corrente e também sua capacidade de dissipação de calor são as mesmas do próprio MOSFET.

Este diodo parasita tem como características um longo tempo de recuperação reversa e uma corrente reversa de recuperação grande, devido ao tempo de duração dos portadores minoritários de corrente na camada dreno N - o que torna interessante o seu uso em aplicações para frequências baixas como, por exemplo, no controle de motores, mostrado na figura 5.

 

 

Figura 5 – Aplicação no controle de um motor
Figura 5 – Aplicação no controle de um motor

 

 

Entretanto, nas aplicações de altas frequências o diodo parasita precisa ser ajudado com a ligação de um diodo ultra-rápido ligado em paralelo externamente ao transistor para que o diodo parasita não comute sozinho.

 

CONTROLANDO O MOSFET

Uma das maiores vantagens do Power MOSFET é a sua elevada velocidade de comutação.

A corrente de dreno é proporcional à tensão de comporta de tal forma que um dispositivo teoricamente perfeito pode comutar em tempos entre 50 os e 200 ps (picossegundos), tempo que os portadores de carga demoram para fluir do

dreno para a fonte.

Desde que o MOSFET é um dispositivo de portadores majoritários de carga, uma das razões pelas quais ele pode ter melhor desempenho que um transistor bipolar equivalente, é' que o tempo de desligamento não é atrasado pelo armazenamento de portadores minoritários de carga na base.

Um MOSFET começa a desligar tão logo a tensão de comporta cai abaixo de seu limiar.

 

PROCEDIMENTO DE DISPARO

A figura 6a mostra um modelo simplificado das capacitâncias parasitas que existem num Power MOSFET e as formas de onda da tensão de comutação de uma carga resistiva.

 

 

Figura 6a - Capacitâncias parasitas do Power FET.
Figura 6a - Capacitâncias parasitas do Power FET.

 

 

Existem diversos fenômenos que ocorrem durante a comutação quando o transistor liga, e que podem ser entendidos a partir da mesma figura.

O intervalo de tempo t1<t

O tempo de retardo inicial td(on) ocorre devido ao intervalo de tempo que demora Vgs para crescer exponencialmente até a tensão limiar Vgs(th).

A partir da figura 6b, a constante de tempo pode ser dada como

Rs x Cgs.

Tipicamente, o tempo de ligação para os transistores lRF33O da National é dado por:

td(on) = Rs x Cgs x ln (1 - Vgs(h)/Vpk)

 

 

   Figura 6b – Forma de comutação para carga resistiva
Figura 6b – Forma de comutação para carga resistiva

 

 

Para um gerador de sinais com impedância assumida em Rs de 50 ohms e Cgs de 600 pF, o tempo td será de 11 ns.

Note que desde que a impedância da fonte de sinal aparece na equação, é muito importante observar as condições de teste usadas quando medindo os tempos de comutação.

Fisicamente pode-se medir apenas a capacitância de entrada Cgs, que é dada por Cgs em paralelo com Cdg.

Mesmo considerando que Cgs»Cdg, esta última capacitância é submetida a uma variação muito maior de tensão e por isso não pode ser negligenciada.

A carga e descarga de Cgs é análoga ao efeito 'Miller' que ocorre nas válvulas a vácuo e que domina o próximo tempo de comutação:

 

t2 < t -< t3

 

Partindo agora do instante em que a tensão Vgs atingiu o ponto de limiar, o MOSFET começa a drenar uma corrente crescente da carga e Vds diminui.

Cgd deve, então, não somente descarregar como também aumentar de valor, pois sua capacitância é inversamente proporcional a Vgd, mais precisamente dada pela fórmula abaixo:

 

Cdg = Cdg(o)l(Vdg)n

 

A não ser que o estágio excitador possa fornecer rapidamente a corrente necessária à descarga de Cdg, a queda de tensão pode ser reduzida com um correspondente prolongamento do tempo de comutação.

Intervalo de tempo:

 

t3 < t < t4

 

Neste intervalo, o MOSFET está agora no estado ON e a tensão de comporta pode ser estabilizada no valor normal de excitação.

 

Intervalo de tempo:

 

t4 < t < t5

 

O tempo de desligamento ocorre na ordem inversa.

Vgs deve cair de volta ao valor do limiar antes que Rds(on) comece a aumentar.

Tão logo Vds começa a aumentar, o efeito Miller devido a Cdg recomeça, e isso impede que o crescimento de Vds assim como Cdg recarregue até Vcc.

 

CONCLUSÃO

Dependendo das aplicações específicas, todos estes efeitos devem ser considerados.

Isso faz com que sejam exigidas configurações especiais, conforme as aplicações.

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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