ÍNDICE DE CONTEÚDO
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:
- Vgs: tensão entre a gate e source;
- Vth: tensão de threshold (limiar) de condução do componente;
- Vds: tensão entre dreno e source.
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.
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.
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 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:
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
- Microelectronic Circuits – Fifth Edition Sedra/Smith
- Site Infineon
- Artigo Choosing The Right Power MOSFET Package, consultado em 19/3/2017
- 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.
Excelente, Bruno !