Parâmetros para a escolha de MOSFET nos projetos de fonte

Introdução

O MOSFET é um dos elementos básicos no projeto de fontes. Sua denominação MOSFET  é um acrônimo  de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.

Basicamente é considerado como um componente com três terminais, gate, drain e source, que atua de maneira simplificada como uma chave eletrônica. O artigo a seguir trata os principais aspectos na escolha de um MOSFET em projetos de conversores de energia.

Modos de operação do MOSFET

O MOSFET pode operar em 3 modos: corte, triodo e saturação. A Figura 2 ilustra estes comportamentos. Defini-se:

• V_gs: tensão entre a gate e source;
• V_th: tensão de threshold (limiar) de condução do componente;
• V_ds: tensão entre dreno e source.

Analisando graficamente a Figura 2, observa-se o comportamento quase linear de I_d (corrente  dreno-source) em função da tensão V_ds. Nesta região o MOSFET atua quase como um resistor cujo valor de resistência é relacionado ao coeficiente angular da respectiva reta (excluindo a região de transição para a saturação que não é tão suave). Para efeito de aplicabilidade prática geralmente trabalha-se com o MOSFET nas regiões de corte e saturação.

Analisando o Datasheet dos MOSFETs

Como estudo de caso pode-se considerar o BSC120N03MS G, um mosfet de 30V, canal N, PG-TDSON-8.

O primeiro ponto a ser considerado é a corrente. De acordo com a Figura 3, o seu valor é 39 A a 25º C e cai para 24 A a 100º C  sob as mesmas condições. Outro ponto que pode causar certa estranheza é a dimensão da corrente pulsada de dreno que pode ser manipulada pelo BSC120N03, que é 156 A a 25º C. Isto pode ser explicado considerando que a energia total manipulada pelo MOSFET é pequena desde que a duração do pulso também seja. Sabe-se que a energia é a integral da potência instantânea pelo tempo:

Logo a energia absorvida será dada por:

O datasheet do componente dá uma visão da duração permitida destes pulsos desde que as condições de contorno sejam observadas, isto é, T_j (temperatura de junção), T_a (temperatura ambiente) e t (tempo). O gráfico abaixo fornece esta visão.

Energia de Avalanche

Para testar a robustez do MOSFET com relação à energia de avalanche, um sistema básico de teste é definido de acordo com a Figura 5.

O parâmetro E_as é a energia máxima que pode ser dissipada pelo dispositivo durante um evento de avalanche de pulso único. Há diferenças na especificação de E_as  de acordo com o teste que cada fabricante realiza, desta maneira é necessário analisar com cuidado os dados de datasheet. Alguns fabricantes usam a aproximação estatística, isto significa que os dispositivos são testados até o ponto de falha e o valor de E_as é uma média dessas medidas. Outros fabricantes testam os MOSFETs nas condições da Figura 5.

Encapsulamento

Atualmente há uma variedade enorme de soluções e novos encapsulamentos no mercado: os clássicos TO220, TO247 e D2PAK não são as únicas opções para os desenvolvedores. O desenvolvimento destes novos invólucros foi acompanhado pela melhoria das características dinâmicas dos MOSFETs, permitindo a redução de dissipadores ou até a mesma dissipação na própria PCB. Exemplos:

Cada encapsulamento possui benefícios e contrapartidas, itens como resistência do package, indutância característica, resistência térmica devem ser considerados. A tabela abaixo ilustra algumas destas diferenças.

Obviamente alguns benefícios implicam em custo extra que podem ser absorvidos pela redução do dissipador, por exemplo. Como tendência de mercado o encapsulamento PowerQFN tem se disseminado em razão do custo competitivo e eficiência.

Conclusão

Durante o projeto de conversores de energia, a escolha de MOSFETs deve ser cuidadosa, levando-se em conta tensão, corrente de operação, encapsulamento e também a Energia de Avalanche de pulso único. Os datasheets provêem uma fonte valiosa de dados, contudo os mesmos devem ser avaliados com atenção a fim de se evitar erros no projeto.

Referências

1. Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith
2. Site Infineon
3. Artigo Choosing The Right Power MOSFET Package, consultado em 19/3/2017
4. Artigo Power MOSFET Avalanche Design Guidelines, consultado em 19/3/2017