Fontes de alimentação c.c.-c.a Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1 Transistores MosFet de Potência 1.O controle do transistor MosFet é feito aplicando-se

Fontes de alimentação c.c.-c.a

Prof. Porfírio Cabaleiro Cortizo 1


Transistores MosFet de Potência

1. O controle do transistor MosFet é feito aplicando-se uma tensão VGS > VTH para condução e VGS < VTH para bloqueio;

2. A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 4V;

3. A impedância de entrada de um transistor MosFet é muito elevada;

4. O MosFet de Potência é constituido de muitas células conectadas em paralelo;

5. A condução é feita por portadores majoritários;

6. A máxima tensão VGS é de +20V e a mínima é de -20V;

7. Em condução, o MosFet se comporta como um resistor com coeficiente de temperatura positivo ( rdson) e o valor deste resistor depende da amplitude de VGS;

8. Quanto maior a tensão de ruptura do MosFet, maior o valor do resistor rdson;

9. No processo de fabricação aparece um diodo em anti-paralelo com o transistor que apresenta um tempo de recuperação elevado;




Transistor Mosfet – Características principais

Quanto menor a resistência, melhor o transistor

O parâmetro mais importante do MosFet é a resistencia do canal RDSon. Este parâmetro esta relacionado com a tensão de ruptura e a capacidade de corrente do transistor.

VDS RDSon

ID RDSon

O diodo intrínseco é lento. Ele pode ser eliminado com dois diodos externos G

S

D




Efeito Miller Ao carregar o capacitor de “Gate” ocorre uma alteração da impedância do capacitor Ciss, devido a Crss.

VGS

Forma de onda da tensão VGS QGD

D

G

S

Cds

Cgd

VGS

VDS


Os catálogos dos fabricantes fornecem os valores de Ciss, Crss e Coss.




O transistor MosFet conduz se for aplicada uma tensão VGS > VTH e cessa a condução se VGS < VTH

Threshold voltage: VTH

Existe um valor máximo de tensão VGS que pode ser aplicada ao MosFet acima da qual ocorre destruição do transistor. O circuito equivalente entre o “Gate” e o “Source” pode ser modelado como um capacitor.

Valores típicos de VTH : 3 a 5 V

Valores típicos: ±20 V

Ordem de grandeza: nF


(Ciss)

D

G

S




Transistores IGBT

1. O controle do transistor IGBT é feito aplicando-se uma tensão VGE > VTH para condução e VGE < VTH para bloqueio;

2. A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 5V;

3. A impedância de entrada de um transistor IGBT é muito elevada;

4. A condução é feita por portadores minoritários;

5. A máxima tensão VGE é de +20V e a mínima é de -20V;

6. Geralmente, o transistor IGBT é comandado com uma tensão de +15V para condução e uma tensão negativa menor que -5V para o bloqueio.

7. No processo de fabricação não aparece o diodo em anti-paralelo com o transistor. Quando presente, trata-se de um diodo com características compatíveis com os tempos de chaveamento do IGBT;

8. Há dois tipos construtivos de IGBT: PT (“Punch Through”) e NPT (“Non Punch Through”). Nos transistores do tipo NPT, o coeficiente de temperatura da queda de tensão VCE é positivo o que simplifica o paralelismo destes IGBTs;




Transistor IGBT – Características principais

VGE

G

E

C

VCE

Possui características de transistor MosFet na entrada e de transistor Bipolar na saída

O comando de um transistor IGBT é similar ao de um transistor Mosfet

O diodo em anti-paralelo é incorporado no encapsulamento e é compatível com os tempos de comutação do IGBT.

Os transistores NPN e PNP formam um tiristor parasita




“Current tail”

Como a condução é feita por portadores minoritários, aparece uma cauda de corrente no momento do bloqueio do transistor IGBT

Transistor IGBT – Características principais




MosFet x IGBT

MOSFET

1. Condução portadores majoritários

• Menor queda de tensão

• Nenhum atraso devido ao tempo de vida dos portadores

• Conduz em ambas direções

• Comportamento resistivo na condução

2. Diodo Intrinseco

• Elevado tempo de recuperação

3. Boa capacidade de Avalanche

4. Não é a prova de curto-circuito

IGBT

1. Condução portadores minoritários

• Maior queda de tensão

• Saturação dinamica e cauda de corrente

• Conduz apenas em um sentido

• Comportamento não linear na condução

2. Ausência de diodo intrínseco

3. Não suporta Avalanche

4. Geralmente a prova de curto-circuito




MosFet x IGBT

1. Para barramentos de baixa tensão (10 a 150V) – MosFet são a melhor opção

• As perdas de condução dos transistores IGBTs são muito maiores

2. Para barramentos de tensão intermediária (170 a 400V):

• MosFet são a melhor opção para potências menores que 250W

• IGBT são a melhor opção para potências maiores que 250W

3. Para barramentos de tensão superiores a 400V – IGBT são a melhor opção




1. A impedância de saída do “driver” deve ser baixa o suficiente para permitir um pico de corrente de modo a carregar a descarregar a capacitância de entrada do transistor;

2. Adaptar a impedância de saída do “driver” de modo a limitar o dVce/dt no bloqueio, i.e. fornecendo um controle da corrente de efeito Miller;

3. A resistencia total do circuito de “gate” deve ser menor que 5 de modo a amortecer e evitar oscilações entre o “driver” e a capacitância de entrada do transistor no momento do bloqueio;

4. As conexões entre o “driver” e o transistor devem ser curtas e não indutivas. Usar o terminal Kelvin do emissor (“source”) para evitar os efeitos devidos ao di/dt no terminal do emissor (“source”) de potência;

5. A impedância de saída do “driver” deve ser muito baixa durante o bloqueio para absorver a corrente de efeito Miller induzida pelo dV/dt aplicado a outros dispositivos.

Regras para comando de transistores




Disparo do transistor

Formas de onda mais significativas no disparo




Disparo do transistor




Bloqueio do transistor

Formas de onda mais significativas no bloqueio




Bloqueio do transistor




Dimensionamento do circuito de comandoTransistor MosFet

A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão:

f*Q*VPg GDRV

VDRV

vGS(t)




Dimensionamento do circuito de comandoTransistor IGBT

VGEonvGE(t)

VGEoff

A potência da fonte do circuito de comando é dada pela expressão:

)off(GE)on(GEGE

GE

VVV

f*)Q(*)V(Pg




Comando de transistores MosFet e IGBT




Isolamento do “Gate Drive”

1. Através de acopladores óticos ou fibra ótica

Problema: Fonte de alimentação para o lado isolado;

Limite da frequência de chaveamento




Isolamento do “Gate Drive”

2. Através de transformadores de pulso

Problema: Desmagnetização do transformador

Limita o tempo de condução dos transistores a no máximo 50% do período. Interessante quando os transistores comutam em alta frequência

O comando e a energia para o lado isolado são fornecidos pelo transformador, permitindo os transistores conduzirem mais de 50% do período. Interessante em aplicações com baixa frequência de chaveamento.




“Gate Drive” sem isolamento

Emprego da técnica de “Level Shift”

Problema: Limite dos tempos máximo e mínimo de condução do transistor





Alimentação do circuito de comando empregando a técnica de “Bootstrap”

A carga do capacitor que alimenta o circuito de comando do transistor superior, é feita através do interruptor inferior e do diodo de “Bootstrap”.





Circuito auxiliar para carga inicial do capacitor de “Bootstrap” através de Dstart. Rstart e Dz




“Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT

1. Configuração “Totem-pole” com transistor bipolar ou Mosfet

Configuração com BJT Configuração com Mosfet





2. Configuração com desligamento automático





Quanto menor o resistor de “gate”, menor o tempo de chaveamento da tensão, mas o valor do resistor não afeta a cauda da corrente no transistor IGBT




Proteção de curto-circuito

Não há como proteger os transistores Mosfet e IGBT contra curto-circuito empregando fusíveis. A energia nessária para queimar um transistor é muito menor que a energia necessária para a abertura do fusível.

Proteção ativa:

1. Medição da corrente atravessando o transistor através de um sensor de corrente ou shunt;

2. Medição da queda de tensão nos terminais do transistor, verificando a desaturação do transistor.




Proteção de curto-circuitoProteção por desaturação

Von

A

5,6

t*270C

A grande maioria dos circuitos integrados de acionamento de transistores Mosfet e IGBT utiliza a deteção de desaturação como mecanismo de proteção contra curto-circuito.

A tensão nos terminais do transistor, a menos da queda de tensão em D1, é medida e comparada com Vref. Se esta tensão ultrapassar o valor de Vref, o transistor é bloqueado.

No início da condução, a proteção é inibida, para permitir que a tensão nos terminais do transistor atinja o valor de saturação. Geralmente, o tempo de inibição, é um pouco superior ao tempo de ligamento do transistor ton




Proteção de curto-circuitoProteção por medição de corrente

Medição da corrente através de um resistor “shunt” e um pequeno filtro para retirar o ruído de medição




Proteção de curto-circuitoProteção por medição de corrente

O SenseFet possui um terminal através do qual é possível medir a corrente do transistor.





Durante o curto-circuito, a corrente no transistor pode alcançar valores de 6 a 10 vezes a corrente nominal.

Se a indutância do barramento c.c. for elevada, durante o bloqueio do transistor aparece uma sobretensão VCE ou VDS sobre o transistor que pode danifica-lo.

Existem dois tipos de curto-circuito:

1. O transistor é ligado com a carga em curto-circuito;

2. O transistor é ligado em condições normais e depois acontece o curto-circuito da carga.




Proteção de curto-circuitoTipo 1




Proteção de curto-circuitoTipo 2





Soluções:

1. Na presença de um curto-circuito, limitar a derivada da corrente de gate no momento de desligamento do transistor.

2. Na presença de um curto-circuito, reduzir inicialmente a tensão VGS ou VGE, de modo a reduzir a corrente de curto-circuito e depois bloqueiar rapidamente o transistor.





Aumento do resistor de “Gate” durante o bloqueio devido a atuação da detecção de dessaturação do transistor




“dV/dt Coupled Shoot Through”

dt

dVCI GDDT/DV

Quanto maior a derivada da tensão nos terminais do transistor, maior é a corrente IDV/DT. Se a tensão VGS atingir o valor de “threshold” o transistor pode entrar em condução




“dV/dt Coupled Shoot Through”

Soluções:

1. Baixar a impedância de saída do driver dos transistores (Rdriver);

2. Usar uma tensão negativa para garantir o bloqueio do transistor. A máxima tensão devido ao dV/dt é igual a tensão negativa mais a tensão de “threshold”.

Sobretensão devido ao dV/dt elevado nos terminais do transistor




“Aplicação de optoacopladores”

Optoacopladores convencionais não possuem blindagem de Faraday e não são adequados a aplicações de comando de transistores MosFets e IGBTs.

Esta corrente é subtraida da corrente foto-induzida, causando instabilidade e possibilidade de oscilação

VE

Capacitâncias parasitas de acoplamento

Quando o transistor comuta, VE muda bruscamente de potencial




“Aplicação de optoacopladores”Blindagem de Faraday

Blindagem ótica transparente e eletricamente condutiva

Esta blindagem forma um plano equipotencial para o fotodiodo, forçando toda a tensão de dv/dt de modo comum aparecer entre a blindagem e o led. A corrente injetada não circula pelo fotodiodo.




Referências

1. Site do prof. Javier Sebastián Zúñiga, Universidade de Oviedo, Curso de Sistemas de Alimentación, http://www.uniovi.es/ate/sebas/

2. Site da Semikron, http://www.semikron.com

3. “Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits”, Lazlo Balogh, http://focus.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf

4. “CDV/DT Induced Turn-on in Synchronous Buck Regulators”, Thomas Wu, http://www.irf.com/technical-info/whitepaper/syncbuckturnon.pdf

5. “Drive Circuits for Power MOSFET and IGBTs”, B. Maurice & L. Wuidart, http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/3703.pdf

6. “MOSFET/IGBT Drivers Theory and Applications”, Abhijit D. Pathak, http://www.ixysrf.com/pdf/switch_mode/appnotes/5mosfet_driver_theory_and_applications.pdf

7. “Using Monolithic High Voltage Gate Drivers”, A. Merello & A. Rugginenti & M. Grasso, http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt04-4.pdf

8. “IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor) Differences between MOSFET and IGBT”, http://paginas.fe.up.pt/~fff/Homepage/Ficheiros/Siemens_IGBT_caract.pdf

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