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.

 

Símbolo simplificado do mosfet
Figura 1 - Símbolo simplificado do mosfet, Fonte: Sedra

 

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:

  • Vgs: tensão entre a gate e source;
  • Vth: tensão de threshold (limiar) de condução do componente;
  • Vds: tensão entre dreno e source.

 

Modos de operação do Mosfet
Figura 2 - Modos de operação do Mosfet, fonte: Sedra

 

Analisando graficamente a Figura 2, observa-se o comportamento quase linear de Id (corrente  dreno-source) em função da tensão Vds. 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.

Página Inicial do Datasheet de BSC120N03MS G
Figura 3 - Página Inicial do Datasheet de BSC120N03MS G

 

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, Tj (temperatura de junção), Ta (temperatura ambiente) e t (tempo). O gráfico abaixo fornece esta visão.

 

Área de operação segura do MOSFET
Figura 4 - Área de operação segura

 

 

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.

 

Teste para medida da Energia Avalanche
Figura 5 - Teste para medida da Energia Avalanche

 

O parâmetro Eas é a energia máxima que pode ser dissipada pelo dispositivo durante um evento de avalanche de pulso único. Há diferenças na especificação de Eas  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 Eas 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:

 

Exemplos de encapsulamentos de MOSFET
Figura 6 - Exemplos de encapsulamentos de MOSFETs

 

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.

 

Parâmetros típicos de alguns encapsulamentos SMT
Figura 7 - Parâmetros típicos de alguns encapsulamentos SMT

 

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
NEWSLETTER

Receba os melhores conteúdos sobre sistemas eletrônicos embarcados, dicas, tutoriais e promoções.

Obrigado! Sua inscrição foi um sucesso.

Ops, algo deu errado. Por favor tente novamente.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Bruno Nunes
Sou graduado em Engenharia Elétrica pela Unicamp e possuo MBA em Economia de Empresas pela USP. Atuo como Engenheiro de Aplicações. Sou um entusiasta do mundo da eletrônica e da engenharia na indústria brasileira.
recentes antigos mais votados
Notificar
Rogerio Moreira
Visitante
Rogerio Moreira

Excelente, Bruno !