Dicas para escolher corretamente um MOSFET de Potência

Se você acompanha os artigos aqui do blog, sabe a importância dos transistores MOSFETs nas aplicações da Eletrônica de Potência. Podemos dizer que esse componente é a alma de qualquer conversor chaveado e, por isso, deve ser cuidadosamente selecionado para uma operação segura e duradora.

Pensando nisso, resolvi reunir neste artigo algumas dicas importantes que vão te auxiliar na hora de escolher um MOSFET de potência para o seu projeto. Se achou interessante, me acompanhe até o final para entender como aplicar essas dicas.

Breve Resumo sobre o MOSFET de Potência

Antes de tudo, é importante lembrar que o MOSFET é um transistor comandado por tensão, tendo uma impedância de comando elevada. Em razão disso, ele apresenta uma baixa energia para o circuito de comando e uma alta velocidade de comutação, podendo operar com frequências acima de 100 kHz.

Conforme visto no artigo “Transistor MOSFET de Potência”, esse tipo de componente possui características estáticas e dinâmicas. As características estáticas estão relacionadas ao comportamento em regime permanente, quando o MOSFET está totalmente em condução ou totalmente em bloqueio. Já as características dinâmicas definem as transições entre esses dois modos de operação.

Sendo assim, os datasheets costumam especificar os MOSFETs com base nessas características. Por exemplo, os parâmetros estáticos mais importantes ao selecionar um MOSFET são: corrente de dreno (I_D), tensão de bloqueio entre dreno e source (V_DS), resistência de condução entre dreno e source (R_DS(ON)) e potência de dissipação no dreno (P_D). Já os parâmetros dinâmicos incluem: tempo de subida (t_r), tempo de descida (t_f), capacitâncias parasitas e carga total de gate (Q_G).

Dicas para Selecionar um MOSFET de Potência

Para selecionarmos adequadamente um MOSFET, podemos focar nesses seis parâmetros chaves [1]:

1. Tensão de bloqueio (V_DS): deve ser maior do que a máxima tensão que o MOSFET precisa suportar no circuito, acrescentada de uma margem de 30-50%. Um valor muito maior pode impactar o custo do conversor.
2. Corrente máxima de dreno (I_D): a margem de segurança da corrente de dreno pode ser bem maior do que a do item anterior para facilitar a dissipação de calor e melhorar a eficiência de conversão.
3. Resistência de condução (R_DS(ON)): usar um MOSFET com a menor resistência de condução possível para diminuir as perdas por condução.
4. Carga total de gate (Q_G): como esse parâmetro causa perdas no circuito de comando, Q_G deve ser o menor possível.
5. Capacitância de saída (C_oss): um valor muito grande de C_oss irá aumentar demasiadamente as perdas por comutação. Isso porque a carga armazenada em C_oss é liberada no início de cada período de comutação, causando perdas.
6. Tempos de comutação (t_r e t_f): devem ser extremamente curtos para reduzirem as perdas por comutação.

Particularmente, eu costumo usar os quatro primeiros parâmetros para realizar uma seleção inicial. Uma vez que eu tenha um conjunto de modelos que atendam aos requisitos de projeto, utilizo os demais parâmetros para avaliar a dissipação de potência em cada um. Evidentemente, é desejável optar pelo componente que apresente as menores perdas, já que isso resulta em um menor dissipador e no aumento da eficiência geral do conversor. Caso dois ou mais modelos apresentem perdas parecidas, podemos usar o preço como fator de desempate. Para ficar mais claro, vamos a um exemplo de aplicação.

Exemplo de Aplicação

Para exemplificar essa metodologia, vou considerar a aplicação da Figura 1. Trata-se de um conversor boost que opera com uma tensão de entrada de 5 V e fornece na saída uma tensão de 12 V, para uma carga máxima de 24 W. Os demais parâmetros podem ser consultados na Tabela 1.

Requisitos para a escolha do MOSFET de Potência

Com base nos esforços de tensão e corrente destacados na Tabela 1, os quais podem ser obtidos analiticamente ou via simulação, eu defini os seguintes requisitos para a escolha do MOSFET:

• V_DS > 1,5 · 12 V = 18 V
• I_D > 2 · 6 A = 12 A
• R_DS(on) < 0,0188 Ω
• Q_G < 218 nC

Note que eu considerei uma margem de segurança de 50% para a tensão V_DS e uma corrente de dreno duas vezes maior que a condição máxima de operação. No vídeo acima, eu explico como definir os limites para a resistência R_DS(on) e para a carga total de gate Q_G. Também ensino como utilizar o site das grandes distribuidoras para filtrar os componentes segundo os requisitos de operação.

A Tabela 2 mostra os três modelos selecionados para o exemplo em questão. Todos eles atendem aos parâmetros estáticos definidos anteriormente e também possuem uma carga total de gate menor que 218 nC.  Quanto aos parâmetros dinâmicos, fica claro que o modelo FDS6294 possui os menores tempos de comutação e a menor capacitância de saída, enquanto o modelo IRF7456 possui os maiores tempos de comutação e a maior capacitância.

Análise de perdas no MOSFET de Potência

Para avaliar a dissipação de potência nesses componentes, podemos utilizar as equações apresentadas no artigo sobre MOSFET, ou considerar os resultados de simulação do LTspice^©. Nesse caso, eu optei pela segunda opção por ser mais simples e rápida. Os resultados obtidos podem ser vistos na Tabela 3.

Segundo [2], o encapsulamento SO-8 possui uma resistência térmica entre junção-ambiente de 100 °C/W, considerando a área mínima recomendada para o footprint [2].  Sendo assim, cada 0,1 W dissipado no componente resulta em um acréscimo de 10°C na temperatura de junção. Supondo que a temperatura ambiente para a aplicação seja de 50°C, o modelo FDS6294 é a única opção que ainda garante uma folga de 20% em relação à temperatura máxima de junção (T_jmax = 150°C), sem a necessidade de utilizar outros recursos para melhorar a dissipação. Portanto, essa seria a minha escolha. Contudo, notem que eu não me preocupei com o preço, disponibilidade em estoque e nem com a obsolescência do componente. Esses fatores também devem ser considerados na etapa de seleção.

Conclusão

Este artigo apresentou uma metodologia simples e eficaz para selecionar um MOSFET de potência. Inicialmente, é necessário definir a tensão máxima de bloqueio e a corrente máxima de dreno para a aplicação. Com base nesses dois parâmetros já é possível selecionar alguns modelos para comparação. Mas caso você já saiba qual o encapsulamento do MOSFET e qual CI de controle irá utilizar, também é possível limitar os valores da resistência R_DS(on) e da carga total de gate Q_G. O preço é outro parâmetro que você pode utilizar para filtrar os componentes desde o início. Por fim, basta avaliar a dissipação de potência nos modelos selecionados para chegar em uma decisão.  

Referências

[1] Z. Sha, et al. “Optimal design of switching power supply”. John Wiley & Sons, 2015.

[2] R. Gulino. “Guidelines for using ST’s MOSFET SMD Packages”. Application Note AN1703, ST Microelectronics^®. Disponível em: Guidelines for using ST’s MOSFET smd Packages.