Questão 10 - Um MOSFET opera com os seguintes parâmetros: corrente de dreno
, resistência de condução
, tensão DrenoSource no estado desligado
, tempo de subida
, tempo de descida
, frequência de chaveamento
e ciclo de trabalho
. Calcule a perda total de potência no MOSFET.
Passo 1
O enunciado pede a perda total de potência no MOSFET. As informações dadas são (peguei todos estes valores do enunciado):
- Corrente de dreno:
. - Resistência de condução:
. - Tensão drenor–source (quando desligado):
. - Tempo de subida:
. - Tempo de descida:
. - Frequência de chaveamento:
. - Ciclo de trabalho:
.
O que precisamos calcular: a perda total de potência
no MOSFET, considerando os mecanismos de perda relevantes (condução enquanto está ligado e perdas durante os comutamentos).
Passo 2
Identificar os termos que compõem a perda total. Em um MOSFET de potência normalmente consideramos pelo menos duas contribuições principais:
-
Perda por condução (
): ocorre quando o MOSFET está no estado ligado e a corrente atravessa a resistência interna . Como o MOSFET só fica ligado uma fração do tempo igual ao ciclo de trabalho , multiplicamos pela fração de tempo ligada. -
Perda por comutação (
): ocorre durante as transições ligar/desligar, quando tensão e corrente coexistem por um curto intervalo. Com a aproximação linear das variações de tensão e corrente durante os tempos de comutação, a energia por transição é aproximadamente ; multiplicando pela frequência obtemos a potência média de comutação.
Então
Passo 3
Cálculo detalhado da perda por condução.
Fórmula:
Explicação das variáveis:
-
é a corrente contínua que passa pelo MOSFET enquanto ele está ligado. -
é a resistência interna quando o transistor está conduzindo. -
é a fração do período em que o MOSFET está ligado (ciclo de trabalho). Multiplicamos por porque a potência vale somente enquanto o dispositivo está conduzindo.
Substituindo os números (faça as contas mentalmente passo a passo):
Portanto
Passo 4
Cálculo detalhado da perda por comutação.
Começamos pela energia dissipada em uma única comutação (assumindo variações lineares de tensão e corrente nas transições):
Aqui:
-
vem da média ao assumir rampa linear (área de um triângulo formado por e ). -
é a tensão que estava sobre o transistor antes/ao desligar. -
é a corrente que circula no instante da comutação. -
é o tempo total gasto nas transições de subida e descida.
A potência média de comutação é essa energia vezes a frequência:
Agora substituímos valores. Primeiro some os tempos (converter ns para s):
Calcule o fator
:
Agora calcule
. Converta
para Hz:
Para facilitar:
e
, logo
Agora
Portanto
Passo 5
Somar as contribuições para obter a perda total:
Interpretação rápida e encorajamento: a maior parcela aqui vem das comutações — isso é comum quando a tensão é alta e a frequência de chaveamento não é muito baixa. Se quiser reduzir a perda total na prática, pode-se diminuir
(melhor MOSFET), reduzir
, reduzir os tempos de comutação (mas atenção ao EMI), ou reduzir
na comutação (topologias com snubbers ou soft-switching).