Parâmetros para a escolha de MOSFET nos projetos de fonte

MOSFET atua de maneira simplificada como uma chave eletrônica. Confira os principais aspectos na escolha de um MOSFET em projetos de conversores de energia.

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:

potencia

Logo a energia absorvida será dada por:

energia mosfet

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 Guidelines, consultado em 19/3/2017

Saiba Mais sobre Mosfets

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.

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Rogerio Moreira
Rogerio Moreira
01/07/2017 10:08

Excelente, Bruno !

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