Transistor MOSFET de Potência

No artigo anterior iniciamos a introdução aos semicondutores aplicados na eletrônica de potência, onde apresentei o funcionamento básico do diodo de potência. Dando continuidade a esse assunto,  hoje vou abordar o funcionamento básico de outro semicondutor muito importante, o transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor).

Aspecto Construtivo

Assim como o diodo, os MOSFETs são compostos por silício e, em menor extensão, porém em ascensão nas pesquisas acadêmicas, existem os compostos por SiC (Silicon Carbide) e GaN (Gallium Nitride). Entretanto, vamos apresentar apenas o MOSFET comum de silício, sendo este o mais encontrado nas lojas de eletrônica.

Do mesmo modo, o MOSFET também é constituído de camadas P e N, sendo caracterizados de duas formas: transistores MOSFET de canal-N e de canal-P. Os dois tipos são similares, mas o canal-P possui a polaridade de tensão e o sentido de corrente invertidos em relação ao transistor de canal-N. Por questões ligadas a portabilidade dos elétrons, os transistores de canal-P são pouco aplicados na eletrônica de potência [1]. Sendo assim, vamos nos dedicar a entender os transistores MOSFET de canal-N, conforme apresentado na Figura 1.

Figura 1. Aspecto construtivo do transistor MOSFET.

Princípio de Operação e Estrutura Básica do Transistor MOSFET

O transistor MOSFET dispõe de três terminais (vide Figura 1), sendo os terminais de potência denominados de Dreno (D) e de Source (S), e o terminal de comando de Gate (G). O símbolo elétrico do transistor MOSFET está ilustrado na Figura 2, onde D_i representa o diodo intrínseco gerado no processo de fabricação [1].

Figura 2. Representação elétrica do transistor MOSFET.

Na eletrônica de potência, o transistor MOSFET opera majoritariamente como um interruptor, isto é, ora está conduzindo ora está bloqueando a circulação da corrente. Mas, diferentemente dos diodos, através do seu terminal de gate é possível controlar o momento em que o componente entra em condução e o momento em que é bloqueado.

Vale mencionar que o MOSFET tem capacidade de bloquear tensões positivas entre o dreno e o source. Entretanto, tensões com polaridade invertida permitem a circulação de corrente devido à presença do diodo D_i (diodo intrínseco), o que caracteriza a bidirecionalidade em corrente do transistor MOSFET.

Característica Estática do Transistor MOSFET Ideal

Idealmente falando, o transistor MOSFET está em estado bloqueado quando não há uma tensão V_GS aplicada entre o gate e o source.  Isso resulta em uma impedância extremamente elevada entre o dreno e o source, impedindo a circulação da corrente de dreno (I_D) pelo transistor MOSFET, mesmo que haja uma tensão positiva entre esses terminais.

Por outro lado, quando uma tensão V_GS é aplicada, o transistor MOSFET entra em condução. Nesse caso, a resistência entre o dreno e o source, R_DS(on), se torna nula, permitindo assim a circulação da corrente I_D. Ressalta-se que para o MOSFET permanecer em condução é necessário manter a tensão V_GS, caso contrário ocorrerá o bloqueio.

Como já mencionado, se uma tensão reversa for aplicada entre o dreno e o source, o MOSFET conduzirá uma corrente em sentido contrário devido à presença do diodo intrínseco D_i. Portanto, a característica estática do MOSFET ideal pode ser ilustrada de acordo com a Figura 3.

Figura 3. Característica tensão-corrente do transistor MOSFET ideal.
Fonte: Adaptado de [1].

Característica Estática do Transistor MOSFET Real

Assim como nos diodos de potência, os transistores MOSFETs não possuem o comportamento ideal da Figura 3 na prática. A característica estática real de tensão-corrente do transistor MOSFET pode ser dividida em três regiões, conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4. Característica tensão-corrente do transistor MOSFET real.

Região de Bloqueio

A região de bloqueio é caracterizada pelo estado bloqueado do transistor MOSFET devido à ausência da tensão V_GS.  Ressalta-se, porém, que se a tensão dreno-source for positiva, uma corrente de fuga insignificante pode circular pelo dreno.

Para que o transistor possa entrar em condução, a tensão V_GS deve superar a tensão limiar (V_GS(th) – threshold voltage), a qual representa a tensão de gate mínima necessária para colocar o transistor em condução. Caso contrário, o MOSFET irá permanecer na Região de Bloqueio até que a tensão dreno-source atinja o valor de avalanche (V_(BR)DS). A partir de então a corrente no dreno cresce significativamente, podendo levar o componente a destruição [1].

Região Ativa

A região ativa é caracterizada pela operação do MOSFET como amplificador de tensão, também conhecido como região de corrente constante. Nessa região a tensão gate-source (V_GS) controla a intensidade da corrente que circula do dreno para o source (I_D). Observe na Figura 4 que para cada valor de V_GS, temos um valor de I_D correspondente.

Contudo, a região ativa não apresenta características interessantes para aplicações na eletrônica de potência, uma vez que são produzidos altos níveis de perdas na medida em que os níveis de corrente I_D e tensão V_DS se elevam.

Região Resistiva

Por fim, a região resistiva se caracteriza por apresentar um valor de resistência R_DS(on) constante. Essa é a região onde o MOSFET aplicado na eletrônica de potência deve operar quando está em condução. Para garantir que o transistor utilizado opere na região resistiva durante o período de condução é necessário satisfazer a seguinte condição:

(1)

onde V_DS(on) = I_D . R_DS(on) representa a tensão dreno-source durante a etapa de condução, que surge devido à queda de tensão sobre R_DS(on). Vale mencionar que a tensão de limiar, V_GS(th), se situa tipicamente entre 2 V e 4 V. Então, é importante que a tensão gate-source se mantenha entre valores de 10 V e 15 V, de modo que a equação (1) seja satisfeita para qualquer condição [1].

Destaca-se ainda que durante o período de condução, a tensão V_DS assume seu menor valor e a corrente I_D depende diretamente da carga. Com isso, nos circuitos chaveados (Exemplo o conversor CC-CC Buck), o R_DS(on) é um parâmetro importante para definir a queda de tensão direta nos terminais dreno–source e as perdas por condução do MOSFET.

Característica Dinâmica do Transistor MOSFET Real

A característica dinâmica do MOSFET está atrelada às capacitâncias interna que surgem no processo de fabricação do componente [1]. Um modelo simplificado do MOSFET com as capacitâncias, baseado em [2], é apresentado na Figura 5.

Figura 5. Característica dinâmica do MOSFET.

Fonte: Adaptado de [2].

Sendo:

• C_gd – Capacitância gate-dreno;
• C_gs – Capacitância gate-source;
• C_ds – Capacitância dreno-source.

A capacitância C_gs é essencialmente linear, enquanto as capacitâncias C_ds e C_gd são fortemente não lineares, pois dependem das estruturas e da geometria do dispositivo semicondutor, além da respectiva polaridade das tensões nos seus terminais. Entretanto, no catálogo dos fabricantes normalmente encontram-se as seguintes capacitâncias:

• C_iss = C_gd + C_gs – (capacitância de entrada);
• C_oss = C_gd + C_ds – (capacitância de saída);
• C_rss = C_gd – (capacitância de transferência reversa);

onde C_iss é um parâmetro muito importante no comando e nos tempos da comutação, pois, ao comutar o transistor, o capacitor é carregado e descarregado pelo circuito de comando do gate. Desse modo, os tempos de entrada e saída em condução do MOSFET dependerão dos tempos de carga e descarga do capacitor C_iss [2].

O vídeo a seguir aborda de uma forma mais detalhada o conteúdo apresentado até aqui. Se você deseja entender melhor o princípio de funcionamento do transistor MOSFET, vale a pena conferir.

Perdas no transistor MOSFET

As perdas no MOSFET operando como chave são separadas em duas parcelas: perdas por condução e perdas por comutação. Neste artigo vou apresentar uma breve análise das perdas no MOSFET aplicado a uma carga fortemente indutiva (condução contínua), visto que essa situação é a que mais ocorre nas aplicações industriais. Caso despertar interesse ao leitor, na referência [1] pode-se encontrar como determinar as perdas para uma carga puramente resistiva.

#Perdas provocadas durante a condução do MOSFET

Diferentemente dos diodos, as perdas por condução nos MOSFETs não estão associadas ao valor médio da corrente, e sim ao seu valor eficaz. Isso ocorre porque o modelo equivalente de um MOSFET em condução é dado por uma simples resistência de valor R_DS(on). 

E como vimos no artigo sobre conceitos básicos, a potência média dissipada em um resistor devido a uma corrente pulsada é expressa por:

(2)

Em geral, os fabricantes disponibilizam o valor de R_DS(on) no datasheet do componente, considerando uma determinada condição de operação. Entretanto, convém salientar que essa resistência é fortemente dependente da temperatura de junção do MOSFET – quanto maior a temperatura, maior a resistência R_DS(on) (ver Figura 6). Isso implica no fato das perdas por condução aumentarem a medida que a temperatura aumenta, virando assim uma “bola de neve” que pode levar o dispositivo à destruição, caso o dissipador de calor não seja dimensionado corretamente.

Figura 6. Variação da resistência R_DS(on) em função da temperatura de junção do transistor MOSFET.

Fonte: Adaptado de [3].

Além da temperatura, a tensão gate-source também pode afetar o valor de R_DS(on), conforme demonstrado na Figura 7. Porém, observa-se que para valores maiores de tensão, a resistência dreno-source apresenta pouca variação, independentemente do valor da corrente de dreno (I_D). Esse é outro motivo para utilizar uma tensão V_GS entre 10 V e 15 V na maioria dos casos. Mas, evidentemente, é importante consultar o datasheet do componente para verificar se ele suporta tais níveis de tensão.

Figura 7. Variação da resistência R_DS(on) em função da corrente de dreno I_D, para diferentes valores de tensão gate-source V_GS e temperatura de 25°C.

Fonte: Adaptado de [4].

Dessa forma, uma vez definida uma tensão V_GS de modo que R_DS(on) não varie significativamente com o valor de I_D, podemos determinar a resistência em função da temperatura, segundo [5]:

(3)

onde R_{DS(on)_25} representa a resistência dreno-source para a temperatura de 25°C, normalmente especificada nas primeiras páginas do datasheet. T_J é a temperatura de junção que pode ser definida como 80% da temperatura de junção máxima do componente na hora de dimensionar o dissipador de calor [1]. 

O coeficiente de temperatura (), por sua vez, pode ser calculado escolhendo-se  dois pares ordenados (T₁, R_{DS(on)_1}) e (T₂, R_{DS(on)_2}) no gráfico da Figura 6, como exemplificado em vermelho. Assim, substituindo esses valores em (3) e isolando , obtemos

(4)

onde T₁ = 25°C e R_{DS(on)_1} = R_{DS(on)_25}.

#Perdas provocadas durante a comutação do MOSFET

Na prática, quando o MOSFET sai da condição de bloqueio para a condição de condução, ou vice-versa, ocorre uma transição com a presença simultânea de corrente e tensão, conforme ilustrado na Figura 8. Essa transição resulta em perdas de potência no componente, as quais devem ser consideradas na hora de dimensionar o dissipador.

Figura 8. Principais formas de onda na entrada em condução do transistor MOSFET de potência.

Fonte: Adaptado de [1].

De forma resumida, o processo de comutação na entrada em condução do transistor MOSFET pode ser descrido da seguinte forma [1]:

• Durante o intervalo de tempo t_d(on) o circuito de comando carrega a capacitância de entrada C_iss até o valor de V_GS(th) (tensão limiar ou de threshold). Nesse intervalo, a corrente de dreno I_D é nula e a tensão dreno-source vale E.
• Durante o intervalo de tempo t_ri a capacitância de entrada se carrega mais um pouco, até um valor próximo à tensão V_GS. Enquanto isso, se inicia o crescimento da corrente de dreno I_D.
• Já no intervalo de tempo t_fv a capacitância de saída C_oss se descarrega do valor de E até V_DS(on).

Geralmente, tem-se que o tempo t_d(on) é muito menor do que t_ri e t_fv, o que nos permite aproximar o tempo total que o transistor leva para entrar efetivamente em condução por:

(5)

em que t_r é a nomenclatura normalmente encontrada nos datasheets dos fabricantes.

Com base na Figura 8, é possível definir a energia de perdas por comutação integrando-se a potência instantânea no tempo ou, simplesmente, calculando-se o valor da área triangular sob a curva da potência, segundo:

(6)

Assim a potência média de perdas durante a entrada em condução do MOSFET pode ser obtida dividindo-se a energia pelo período de comutação (T_s), como segue

(7)

em que f_s = 1/T_s representa a frequência de comutação (ou chaveamento) do transistor MOSFET.

De maneira análoga, precisamos analisar o processo no qual o transistor sai da etapa condução e entra na etapa de bloqueio. Essa transição, assim como a anterior, gera dissipação de potência no componente. Mas para não estender demasiadamente este artigo, não vamos entrar nos méritos dessa análise. (Caso você tenha interesse, recomendo a leitura de [1]).

A potência média dissipada na comutação durante o bloqueio do transistor MOSFET é dada por 

(8)

onde t_f é a nomenclatura encontrada nos datasheets para representar o tempo correspondente ao processo de bloqueio do transistor.

Portanto, a potência média total dissipada no transistor MOSFET é dada pela soma de todas as perdas mencionadas acima, o que resulta em:

(9)

Cabe mencionar ainda que a abordagem para a obtenção das perdas por comutação considera algumas simplificações a fim de facilitar os cálculos. Uma delas é o fato da evolução tanto da tensão v_DS como da corrente i_D ocorrer de forma linear durante todo o processo de comutação (e.g. Figura 8). E a outra é a negligência da tensão dreno-source durante a condução (V_DS(on) = 0), a qual surge devido à queda de tensão sobre a resistência R_DS(on).

Apesar dessas simplificações, essa metodologia é largamente utilizada na indústria e nos artigos científicos, apresentando resultados experimentais satisfatórios e com uma margem de segurança no dimensionamento do componente.

No próximo vídeo, você pode conferir uma análise mais ampla sobre o cálculo de perdas no MOSFET, incluindo as situações em que o transistor opera em conjunto com um diodo de roda livre. 

Circuitos de Acionamentos para MOSFET

Como apresentado anteriormente, o MOSFET pode ser controlado aplicando-se tensões acima ou abaixo da tensão de threshold entre os terminais gate e source, o que é relativamente simples de se fazer [6]. Para isso, vou apresentar alguns circuitos de acionamento praticáveis, conforme ilustra a Figura 9.

Figura 9. Circuitos de acionamento para transistores MOSFET.

Fonte: Adaptado de [6].

Um circuito de acionamento de MOSFETs, também conhecido como circuito de comando de gate, deve ser capaz de fornecer e drenar correntes suficientes para carregar/descarregar a capacitância intrínseca de entrada do componente e deve ser capaz de atuar em alta frequência. 

Diferentemente do transistor bipolar de junção (BJT) convencional, o transistor MOSFET é acionado por tensão, apresentando uma baixa corrente de gate. Além disso, os tempos de comutação dependem quase que exclusivamente da rapidez de carga e descarga da capacitância de entrada C_iss [1].

A Figura 9(a) representa o circuito de comando elementar, a partir do qual é possível controlar o transistor MOSFET, porém o tempo de comutação pode ser alto para algumas aplicações [6]. Outro ponto a se considerar são os valores da tensão V_G e da corrente I_G. Se o sinal de controle for proveniente de um dispositivo lógico programável, provavelmente a tensão e a corrente serão insuficientes para acionar o MOSFET.

Como solução, tem-se a estrutura seguidor de tensão ilustrada na Figura 9(b). Essa estrutura consiste de um par de transistores bipolares NPN e PNP em série. Desse modo, quando a tensão de sinal (V_I) provinda do dispositivo lógico for positiva, Q₁ conduz e Q₂ é bloqueado, assim a tensão V_G é aplicada ao gate do MOSFET colocando-o em condução. A tensão V_G possui o valor necessário para o acionamento do MOSFET e pode ser obtida por meio de uma fonte externa e regulada por um regulador linear LM78xx. De forma oposta, quando V_I for nulo, Q₂ é acionado e uma tensão nula é aplicada entre os terminais gate e source, fazendo com que o MOSFET seja bloqueado. 

Outra forma de acionamento é apresentada na Figura 9(c), sendo utilizada em circuitos de controle que possuem coletor aberto. O coletor aberto é um tipo de saída muito comum em circuitos integrados (CIs), logo essa estrutura é a ideal para tais aplicações.

Nota-se que nas estruturas básicas da Figura 9, o terminal source está conectado direto ao terra de referência do circuito. Dessa forma, basta aplicar a tensão V_GS informada pelo fabricante. Contudo, em algumas topologias de conversores, como é o caso do Buck, o MOSFET possui seu terminal source em um ponto não comum (terra) do circuito. Por consequência, torna-se necessário empregar um circuito de acionamento para flutuar em relação ao ponto comum do circuito.

Tomando-se o exemplo do conversor Buck, a tensão no terminal source é a mesma tensão de entrada do conversor. Logo, a tensão V_GS deve ser maior que a tensão de alimentação.

Uma solução para isso são os circuitos integrados da família IR21xx da International Rectifier, mostrado na Figura 10.

Figura 10. Circuito de acionamento para transistores MOSFET em flutuação.

Observem que o CI IR2112 pode acionar dois MOSFET distintos, um em flutuação e outro conectado ao terra. Para isso, ele utiliza um capacitor de bootstrap, técnica a qual iremos discutir em artigos futuros. A aplicação desse tipo de CI pode ser feita em conversores meia-ponte ou em ponte completa. Já no caso do conversor Buck convencional, poderíamos utilizar apenas a porta de acionamento superior. 

Caso queira entende melhor os circuitos de comando, recomendo a leitura dos seguintes artigos aqui do Blog:

• Transistor MOSFET como chave: circuito de comando não isolado.
• Circuitos integrados para acionamento de transistores MOSFET e IGBT.

Exemplo de Projeto

Agora para deixar mais claro o entendimento de como dimensionar o transistor MOSFET propomos um projeto baseado nos valores obtidos no artigo sobre o conversor Buck. Os critérios de projeto são:

• Tensão máxima sobre o MOSFET: E = 50 V
• Corrente média: I_Dmed = 2A
• Corrente eficaz: I_Def = 3,16A
• Frequência de comutação: f_s = 20 kHz
• Temperatura ambiente: T_a= 50 °C

Diante disso, optou-se pelo transistor MOSFET IRFP240 da International Rectifier. As características elétricas desse dispositivo estão apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1. Características elétricas do MOSFET IRFP240.

Parâmetro	Simbologia	Valor
Tensão reversa máxima	V DDS	200 V
Corrente direta suportada (25ºC/100ºC)	I D	20 A / 12 A
Resistência série interna	R DS (on)	0,18 Ω
Temperatura de junção máxima	T jmax	150 ° C
Resistência térmica junção-cápsula	R jc	0,83 ºC / W
Resistência térmica cápsula-dissipador	R cd	0,24 K / W
Resistência térmica junção-ambiente máxima	R ja(max)	40 ° C / W
Tensão gate-source	V GS	20 v
Tempos de bloqueio/condução	t r	51 ns
	t f	36 ns

#Cálculo das Perdas

Perdas por Condução:

(10)

Perdas por Entrada em Condução:

(11)

Perdas por Bloqueio:

(12)

Perda Total no MOSFET:

(13)

#Dimensionamento do Dissipador de Potência

Nas aplicações com MOSFETs, como qualquer outro semicondutor, a temperatura interna do mesmo, denominada temperatura de junção (T_j), deve ser mantida abaixo da temperatura máxima de junção (T_jmax) definida nos catálogos dos fabricantes. Conforme apresentado em [1], recomenda-se que T_j seja definida na faixa de 80% de T_jmax, de modo a proteger o transistor sem superdimensionar o dissipador de calor.  A seguir é apresentado o cálculo térmico aplicado ao transistor MOSFET de potência.

Resistência Térmica Junção-Ambiente:

Para o cálculo da resistência térmica junção-ambiente do dissipador, considerou-se uma temperatura de junção T_j=120°C, resultando em:

(14)

Resistência Térmica Dissipador-Ambiente:

Uma vez obtida a resistência junção-ambiente R_ja, deve-se verificar se a mesma é maior que a resistência junção-ambiente definida no catálogo. Em caso afirmativo, não há necessidade de se utilizar um dissipador de calor.

Assim, com base no resultado obtido em (11), conclui-se que é essencial o projeto do dissipador, visto que R_ja < 40°C/W. Para isso, a resistência térmica dissipador-ambiente (R_da) necessária é calculada conforme 

(15)

Com o valor da resistência térmica R_da, entra-se no catálogo do fabricante de dissipadores para determinador o dissipador apropriado. Deve-se escolher o valor inferior mais próximo do calculado.

Tomando como base o catálogo da empresa HS Dissipadores [7], definiu-se o modelo HS 1710, cujas características são descritas a seguir:

• Resistência térmica dissipador-ambiente: 14,6 °C/W
• Perímetro: 106 mm
• Largura: 16,5 mm

Para uma largura de 20 mm, deve-se utilizar um índice de correção igual a 2,21, resultando numa resistência térmica de:

(16)

Logo, o valor real da temperatura de junção do MOSFET a partir da definição da resistência térmica dissipador-ambiente é determinada a partir da equação (15). Verifica-se que o valor obtido ficou abaixo de 80% da temperatura máxima de junção estabelecida pelo fabricante, validando assim o projeto do dissipador.

	(17)

Conclusão

Este artigo teve como objetivo apresentar os aspectos gerais de um transistor MOSFET aplicado a eletrônica de potência. Em resumo, abordamos desde as suas características construtivas até circuitos de acionamento praticáveis e por fim um exemplo teórico de cálculos das perdas no MOSFET, bem como dimensionamento do dissipador.

Por enquanto é isso pessoal. A princípio serão esses dois semicondutores que vou abordar, diodo de potência e o transistor MOSFET. Ressalto que algumas dessas propriedades do transistor MOSFET pode ser aplicado a outros transistores, como exemplo o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Para os leitores que desejam aprofundar mais os conhecimentos, indico a referência [1] e como complemento as referências [2] e [6]. Deixo-me à disposição de vocês para eventuais dúvidas e espero que tenham entendido o básico do transistor MOSFET aplicado a eletrônica de potência.

Referências

[1] Martins, D. C. “Transistores de Potência”. 1ª Ed. Florianópolis, 2018.

[2] Barbi, I. “Projetos de Fontes Chaveadas”. 3ª Ed. Florianópolis, 2015.

[3] IXYS. “HiPerFET^TM Power MOSFETs IXFH”. Datasheet do fabricante.

[4] Infineon. “OptiMOS^TM3 Power-Transistor IPP110N20N3 G”. Datasheet do fabricante.

[5] Infineon. “MOSFET Power Losses Calculation Using the DataSheet Parameters”, Application Note, V 1.1, July 2006.

[6] Hart, D. “Power Electronics”. 1ª Ed. Nova York, 2011. 

[7] www.hsdissipadores.com.br (acessado em 11/10/2018)