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Técnicas de disparo de POWER-FETs (ART877)

Os Transistores de efeito de campo de potência (power FETs) possuem características bem diferentes dos transistores bipolares comuns, o que exige certo cuidado no projeto de circuitos comutadores que os utilizem. A MOTOROLA, em seu Power Mosfet Transistor Data sugere diversas técnicas para se obter o máximo rendimento em circuito de comutação que utilizam estes transistores e que procuramos transferir aos leitores neste artigo. Com estas técnicas será possível obter os menores tempos de comutação e o máximo rendimento na transferência de energia. (Artigo publicado em 1996)

 

Enquanto os transistores bipolares comuns, nos circuitos comutadores, operam como chaves acionadas por correntes, os transistores de efeito de campo de potência, Power MOSFETs ou Power FETs operam como comutadores acionados por tensões.

A diferença nos projetos é grande, pois as impedâncias envolvidas são completamente diferentes. Os transistores bipolares são dispositivos de baixas e médias impedâncias quando atuam desta maneira, enquanto que os transistores de efeito de campo são dispositivos de alta impedância, conforme mostra a figura 1.

 

Diferenças de características entre bipolares e FETs.
Diferenças de características entre bipolares e FETs.

 

As configurações básicas podem ser as mesmas na comutação de cargas, porém o desempenho é diferente, e se não forem levadas as características diferentes dos dois tipos de componentes o projetista menos experiente pode não obter do MOSFET de potência o desempenho ideal, equivalente ou melhor do que o do transistor bipolar comum na mesma aplicação.

De fato, se levarmos em conta que a entrada de um MOSFET representa um capacitor e que a elevada impedância implica numa corrente de carga e descarga muito pequena para este capacitor nas comutações, se não houver uma maneira de se compensar esse efeito o principal ponto de comprometimento dos projetos será a velocidade.

Para as configurações que daremos, sugeridas pelo manual de transistores de efeito de campo de potência da Motorola, os tempos são justamente os fatores que mais importam. Por este motivo, as especificações de cada configuração serão dadas justamente em função dos tempos.

Assim, podemos definir os seguintes tempos para os circuitos, mantendo as especificações em inglês já que será desta forma que o leitor vai encontrar na maioria dos manuais, folhas de dados (datasheets) e notas de aplicação (applications notes) dos fabricantes.

 

Tempos para comutação de comporta:

a) Turn-on delay (tempo para ligar) - é o intervalo de tempo que decorre entre a aplicação de um pulso na entrada (Vin) até que a saída atinja 90% de sua amplitude máxima (V1).

b) Turn-on rise time (tempo de subida) - é o tempo que, após a aplicação do pulso de comutação, a corrente de dreno demora para subir de 10% para 90% de seu valor máximo.

c) Turn-off delay (tempo para desligar) - é o contrário do turn-on timer, ou seja, o tempo que decorre a partir do momento em que o pulso de disparo deixa de ser aplicado até que a tensão de saída cai para 10% de seu valor máximo.

d) Turn-off fall time (tempo de descida) - é o tempo que decorre entre o instante em que o sinal de entrada deixa de aplicada, para que a corrente de dreno caia de 90% de seu valor máximo para 10% deste valor.

 

Tempos para comutação de dreno:

e) Turn-on delay (intervalo de tempo para ligar) - é o intervalo de tempo que decorre entre a aplicação do pulso de entrada até que a corrente de dreno atinja 10% de seu valor máximo.

f) Turn-on fall time (tempo de descida ao ligar) - É o tempo que decorre entre a aplicação do pulso de entrada até que a tensão na saída (V2) caia a 10% do valor máximo.

g) turn-off delay (tempo de desligamento) - intervalo de tempo para que a corrente cai de 90% a 10% de seu valor máximo após o pulso de comutação na entrada.

h) Turn-on off rise time (tempo de subida no desligamento) - é o intervalo que decorre entre o instante em que o pulso de comutação deixa de ser aplicado e a tensão de saída (dreno) sobe para 90% de seu valor máximo.

 

Na figura 2 temos as identificações dos tempos indicados.

 

Diagrama de tempos de comutação para cargas resistivas.
Diagrama de tempos de comutação para cargas resistivas.

 

 

OS CIRCUITOS

* Circuito 1

O primeiro circuito, mostrado na figura 3 corresponde ao disparo por meio de um transistor bipolar comum usando um transformador simples de pulso com relação de espiras de 1 para 1.

 

Disparo com transformador de pulsos.
Disparo com transformador de pulsos.

 

As características deste circuito são:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 15 ns

Turn-on Rise time = 85 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 35 ns

Turn-off fall time = 230 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 25 ns

Turn-on fall time = 25 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 185 ns

Turn-off rise time = 20 ns

 

* Circuito 2

O segundo circuito utiliza um transformador de pulsos com um diodo zener de flyback e é mostrado na figura 4.

 

Disparo com transformador de pulso e zener de Flyback.
Disparo com transformador de pulso e zener de Flyback.

 

 

Características:

a) tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 15 ns

Turn-on rise time = 90 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 25 ns

Turn-off fall time = 190 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 30 ns

Turn-on fall time = 25 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 125 ns

Turn-off rise time = 35 ns

 

* Circuito 3

O circuito apresentado na figura 5 também utiliza um transformador de pulsos, mas tem por elemento adicional um diodo, cuja finalidade é aumentar a velocidade de comutação (speed-up diode).

 

Comutação com transformador de pulso e diodo para aumentar a velocidade.
Comutação com transformador de pulso e diodo para aumentar a velocidade.

 

 

Características:

a) tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 30 ns

Turn-on rise time = 95 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 220 ns

Turn-off fall time = 1250 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 60 ns

Turn-on fall time = 35 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 640 ns

Turn-off rise time = 230 ns

 

* Circuito 4

Na figura 6 temos um circuito com transformador que faz excitação em quasi-push-pull.

 

Drive em qusei-push-pull com transformador.
Drive em qusei-push-pull com transformador.

 

 

Características:

a) tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 15 ns

Turn-on rise time = 85 ns

Turn-off delay *Vin x V1) = 40 ns

Turn-off fall time = 230 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 30 ns

Turn-on fall time = 25 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 160 ns

Turn-off rise time = 35 ns

 

* Circuito 5

O circuito apresentado na figura 7 tem a configuração normal para a utilização de um acoplador óptico.

 

Comutação padrão com opto-acoplador.
Comutação padrão com opto-acoplador.

 

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 3 900 ns

Turn-on rise time = 460 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 1 600 ns

Turn-off fall time = 140 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 4 000 ns

Turn-on fall time = 80 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 1 750 ns

Turn-off rise time = 20 ns

 

 

* Circuito 6

Um comutador de faixa larga utilizando acoplador óptico é mostrado na figura 8.

 

Comutador com acoplador óptico de faixa larga.
Comutador com acoplador óptico de faixa larga.

 

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 3 700 ns

Turn-on rise time = 420 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 450 ns

Turn-off fall time = 120 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 3 800 ns

Turn-on fall time = 75 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 520 ns

Turn-off rise time = 20 ns

 

 

* Circuito 7

O circuito apresentado na figura 9 se caracteriza pelo alto desempenho graças à excitação por uma etapa em push pull com dois transistores.

 

Circuito alto desempenho em push-pull.
Circuito alto desempenho em push-pull.

 

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 20 ns

Turn-on rise time = 60 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 25 ns

Turn-off fall time = 30 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 30 ns

Turn-on fall time = 20 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 45 ns

Turn-off rise time = 15 ns

 

 

* Circuito 8

Na figura 10 temos um circuito com excitação em push pull de alto desempenho.

 

Outro circuito de alto desempenho em push-pull.
Outro circuito de alto desempenho em push-pull.

 

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 20 ns

Turn-on rise time = 60 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 45 ns

Turn-off fall time = 70 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 40 ns

Turn-on fall time = 25 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 85 ns

Turn-off rise time = 15 ns

 

 

* Circuito 9

Para comutar um FET de potência a partir de uma saída TTL low-power Schottky (LS) temos o circuito típico mostrado na figura 11.

 

Comutação por Low Power Schottky TTL.
Comutação por Low Power Schottky TTL.

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 110 ns

Turn-on rise time = 5 000 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 60 ns

Turn-off fall time = 600 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 480 ns

Turn-on fall time = 1 000 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 375 ns

Turn-off rise time = 150 ns

 

 

* Circuito 10

O circuito da figura 12 emprega 3 buffers-amplificadores do tipo 74LS06 na comutação de um FET de potência.

 

Comutação com 3 inversores LS06 Low Power Schottky TTL em paralelo.
Comutação com 3 inversores LS06 Low Power Schottky TTL em paralelo.

 

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 45 ns

Turn-on rise time = 1 800 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 30 ns

Turn-off fall time = 210 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (vin x V2) = 180 ns

Turn-on fall time = 310 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 140 ns

Turn-off rise time = 50 ns

 

 

* Circuito 11

A configuração da figura 13 utiliza dois buffers TTL constantes do circuito integrado 7407.

 

Comutação com dois 7407 (TTL) e resistor pull-up.
Comutação com dois 7407 (TTL) e resistor pull-up.

 

Datasheet do 7407

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 25 ns

Turn-on rise time = 710 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 30 ns

Turn-off fall time = 140 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 60 ns

Turn-on fall time = 60 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 130 ns

Turn-off rise time = 30 ns

 

 

* Circuito 12

Nesta configuração (figura 14) um buffer 7407 (TTL) excita uma etapa complementar com dois transistores, os quais comutam o FET de potência de modo direto.

 

Comutação com o buffer-driver 7407 excitando um par complementar.
Comutação com o buffer-driver 7407 excitando um par complementar.

 

 

Características: (Para R1 = 20 k)

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 30 ns

Turn-on rise time = 140 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 20 ns

Turn-off fall time = 20 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 50 ns

Turn-on fall time = 20 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 40 ns

Turn-off rise time = 10 ns

 

 

* Circuito 13

Na configuração da figura 15 temos a comutação por seis inversores CMOS ligados em paralelo.

 

Comutação com 6 inversores CMOS
Comutação com 6 inversores CMOS

 

Datasheet do 4049

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 30 ns

Turn-on rise time = 920 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 20 ns

Turn-off fall time = 130 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 100 ns

Turn-on fall time = 160 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 90 ns

Turn-off rise time = 30 ns

 

 

* Circuito 14

O último circuito, mostrado na figura 16 utiliza um driver de linha MC1472 na comutação.

 

Disparo por um driver periférico MC1472.
Disparo por um driver periférico MC1472.

 

Datasheet do MC1472

 

Características:

a) Tempos de comutação de comporta:

Turn-on delay (Vin x V1) = 370 ns

Turn-on rise time = 100 ns

Turn-off delay (Vin x V1) = 170 ns

Turn-off fall time = 80 ns

 

b) Tempos de comutação de dreno:

Turn-on delay (Vin x V2) = 280 ns

Turn-on fall time = 50 ns

Turn-off delay (Vin x V2) = 230 ns

Turn-off rise time = 15 ns

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