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Règles de sélection / vérifications de base des MOSFETs

La tension nominale maximale drain-source (Vds max) détermine la tension maximale que vous pouvez commuter.

La tension de seuil de grille détermine la différence de tension que vous devez appliquer à la grille pour que le mosfet soit conducteur.

La tension maximale porte-source (max Vgs) est un facteur critique qui ne doit pas être dépassé (même pour quelques nS) ou le MOSFET peut être détruit. Les rails d’alimentation vont-ils subir des pics ? Si c’est le cas, prévoyez une protection quelconque (par exemple, un suppresseur de transitoires) ou choisissez un dispositif d’une valeur nominale plus élevée. Lors de la commutation de rails haute tension (par exemple 24V à partir d’une logique basse tension, vous pouvez souvent répondre à cette exigence en utilisant un diviseur de potentiel pour fournir au mosfet une tension de grille supérieure à 0V.

Vous devez utiliser un circuit intégré de pilotage de mosfet ? Si le mosfet a un courant de commutation de grille élevé (par exemple, les MOSFET à courant élevé) ou sera commuté rapidement (pour s’assurer que le mosfet fonctionne efficacement avec une dissipation de puissance minimale), alors cela peut être nécessaire.

Vérifiez les notes ‘Pourquoi les MOSFETs échouent’ ci-dessous

Notes générales

Les MOSFETs améliorés lorsqu’ils sont allumés permettent le courant dans l’une ou l’autre direction avec un RDSON essentiellement identique. Lorsqu’ils sont hors tension, ils bloquent le courant dans une direction.

En raison de leur impédance d’entrée élevée, les MOSFET sont vulnérables aux dommages causés par les décharges électrostatiques. Ils ont parfois des diodes de protection intégrées ou des zeners.

Les mosfets en mode amélioré incorporent une diode entre les broches de source et de drain.
Un mosfet doublement amélioré incorpore deux diodes cathode à cathode.

Un MOSFET ne nécessite un courant de grille que pendant le front de commutation, pour charger la capacité GS. Ce courant de grille peut être élevé.

Pour commuter 0V

Utiliser un MOSFET à canal N avec la source connectée à 0V (soit directement, soit via une résistance de limitation de courant) et la charge connectée au drain.

Chaque fois que la tension de la grille dépasse la tension de la source d’au moins la tension de seuil de la grille, le MOSFET conduit. Plus la tension est élevée, plus le Mosfet peut conduire.

Les mosfets à canal N ont des résistances d’enclenchement plus faibles que les mosfets à canal P, ils sont donc préférables si vous avez le choix du côté à commuter.

Les MOSFET à canal N peuvent également commuter le +V dans certaines configurations, le drain étant Vin et la source étant commutée Vout.

Pour commuter le +V avec un MOSFET à canal P

Utiliser un MOSFET à canal P avec la Source connectée au +V (soit directement, soit via une résistance de limitation de courant) et la charge connectée au Drain.

En général, la broche Source doit être plus positive que le Drain (cependant, ce n’est pas vrai lorsqu’on utilise un Mosfet P pour assurer une protection contre les inversions de polarité par exemple).

Chaque fois que la tension de grille est inférieure à la (tension de source – tension de seuil de grille), le MOSFET conduit. Si la tension de grille est supérieure à cette valeur, il ne conduit pas. Plus la différence de tension par rapport à la source est grande, plus le MOSFET peut conduire.

Les mosfets à canal P ont des résistances d’enclenchement plus élevées que les mosfets à canal N, ils sont donc souvent moins préférables.

Le MOSFET à canal P a un avantage sur le MOSFET à canal N pour certaines applications en raison de la simplicité de la commande marche/arrêt. Un mosfet à canal N commutant +V nécessite un rail de tension supplémentaire pour la grille ; le canal P ne le fait pas.

Pour commuter le +V avec un MOSFET à canal N

Utiliser un MOSFET à canal N avec le drain connecté au +V et la charge connectée à la source.

Il y a cependant un hic avec cet arrangement – le mosfet s’allume en fonction de l’atteinte du seuil Vgs et la tension de source dans cet arrangement change entre off (0V) et on (Vin). Cela signifie que vous ne pouvez pas commuter la porte à Vin, vous avez besoin d’un rail de tension différent qui est plus élevé que Vin par au moins le seuil Vgs mosfets, et aussi ne pas dépasser la spécification maximale Vgs.

Résistance de grille

L’utilisation d’une résistance de faible valeur entre le pilote du MOSFET et la borne de grille du MOSFET atténue les oscillations de sonnerie causées par l’inductance du fil et la capacité de la grille qui peuvent autrement dépasser la tension maximale autorisée sur la borne de grille. Il ralentit également la vitesse à laquelle le MOSFET s’allume et s’éteint. Cela peut être utile si les diodes intrinsèques du MOSFET ne s’allument pas assez rapidement.

Si vous pilotez un MOSFET à partir d’une ligne rebondissante, éventuellement bruyante (par exemple des contacts de relais), vous devriez utiliser une petite résistance de grille en série à proximité du MOSFET, pour supprimer les oscillations VHF. 22 ohms est suffisant, vous pouvez utiliser moins.

Si la vitesse / le délai de propagation est critique, vous devrez peut-être essayer d’éviter d’utiliser une résistance de grille ou de garder sa valeur basse. Par exemple avec un signal de 5V et un FDN335N, une résistance de grille de 1K peut ajouter environ 200-400nS de retard de propagation (commutation retardée de la grille au drain).

Pour les MOSFET à courant élevé, la capacité du canal de grille peut être très élevée et une tension de drain changeant rapidement peut produire des milliampères de courant de grille transitoire. Cela pourrait être suffisant pour surmener et même endommager les puces de pilote CMOS délicates. L’utilisation d’une résistance en série est un compromis entre vitesse et protection, avec des valeurs typiques de 100R à 10K. Même sans charges inductives, il existe un courant de grille dynamique. De plus, les MOSFET sont extrêmement sensibles aux dommages causés par les décharges électrostatiques et peuvent être endommagés de manière irréversible par un seul cas de claquage de la grille. Pour cette raison, c’est une très bonne idée d’utiliser des résistances de série de grille de 1K à 10K. Ceci est particulièrement important si le signal Gate provient d’une autre carte de circuit.

Si un MOSFET pouvait être laissé flottant alors utilisez une résistance d’excursion basse (100K à 1M est généralement ok) de la Porte à la Source.

Circuits intégrés de pilotage de porte

Les circuits intégrés de pilotage sont souvent utilisés pour les MOSFET à courant élevé et lors de l’utilisation de taux de commutation rapides en raison du fait que le MOSFET a besoin de courants brefs mais élevés pour changer d’état. Les entrées d’un pilote sont généralement de niveau logique. Souvent, les MOSFETs ont besoin d’une commande de 1 à 2A pour réaliser une commutation efficace à des fréquences de centaines de kilohertz. Cette commande est nécessaire sur une base pulsée pour charger et décharger rapidement les capacités de grille du MOSFET.

MOSFETs en parallèle

Les MOSFETs peuvent être placés en parallèle pour améliorer la capacité de traitement du courant. Il suffit de joindre les bornes de la grille, de la source et du drain. N’importe quel nombre de MOSFETs peut être mis en parallèle, mais notez que la capacité de la grille s’additionne au fur et à mesure que vous mettez en parallèle plus de MOSFETs, et finalement le pilote du MOSFET ne sera pas capable de les piloter.

Utiliser des Mosfets à canal N pour commuter des tensions positives

Oui, vous le pouvez ! Tant que la spécification Vgs est respectée, un canal N s’allumera généralement et permettra au courant de circuler de la source au drain (source plus positive que le drain). La diode de corps laissera le courant circuler de toute façon, mais l’allumage du mosfet permet de le faire circuler complètement.

Utilisation de la diode de corps

Vous pouvez utiliser la diode de corps pour permettre au courant de passer à travers un mosfet mais vous devez être prudent et savoir ce que vous faites pour vous assurer que le mosfet n’est pas endommagé en le faisant.

Vrai commutateur mosfet / Commutateur bidirectionnel avec des MOSFET à canal P

En utilisant cet arrangement dos à dos de mosfets à canal P, lorsqu’il est allumé, le courant circule dans l’une ou l’autre direction. Lorsqu’il est éteint, les deux côtés sont isolés. Vous pouvez utiliser n’importe quel mosfet à canal P typique.

Le commutateur à transistor est nécessaire parce que les portes doivent être commutées par une sortie à drain ouvert pour éviter qu’il y ait une Vgs assez grande du signal marche-arrêt par rapport aux rails de puissance connectés aux drains qui sont commutés . Le transistor pourrait être perdu d’un CI à drain ouvert qui peut tolérer les tensions de Drain lorsque l’arrêt est utilisé pour fournir le signal.

Notez que ce montage ne convient que si la tension commutée est > Vgs seuil de commutation du mosfet utilisé.

Lorsque cela ne peut être garanti ou lorsqu’une isolation opto est nécessaire, les relais statiques photo mosfet sont une excellente solution. Exemples :

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V nominal. Commutera hapily de basses tensions comme +3V3 sans aucune chute de tension autre que celle causée par sa résistance à l’état de marche (c’est-à-dire sans la chute de tension de l’utilisation d’un opto isolateur de sortie transistor).

Vrai commutateur MOSFET / Commutateur bidirectionnel avec des MOSFET à canal N

Un exemple :

Pourquoi les MOSFETs échouent

Commande de grille insuffisante

Les dispositifs MOSFET ne sont capables de commuter de grandes quantités de puissance que parce qu’ils sont conçus pour dissiper une puissance minimale lorsqu’ils sont allumés. Vous devez vous assurer que le MOSFET est allumé à fond pour minimiser la dissipation pendant la conduction. Si le dispositif n’est pas complètement allumé, alors le dispositif aura une résistance élevée pendant la conduction et dissipera une puissance considérable sous forme de chaleur.

Surtension

Dépassez la tension nominale d’un MOSFET pour seulement quelques nS et vous pouvez le détruire. Sélectionnez les dispositifs MOSFET de manière conservatrice pour les niveaux de tension prévus et assurez-vous de prévoir ou de traiter la suppression de toute pointe de tension ou de sonnerie.

Surcharge de courant de pointe

Des courants de surcharge pendant une courte durée peuvent causer des dommages progressifs à un MOSFET souvent avec une augmentation de température peu perceptible avant la défaillance. Les MOSFET citent souvent des valeurs nominales de courant de pointe élevées, mais celles-ci ne concernent généralement que des courants de pointe de quelques 100 uS. Si vous commutez une charge inductive, assurez-vous de surdimensionner le MOSFET pour gérer les courants de pointe.

Surcharge de courant prolongée

Si un MOSFET passe un courant élevé, alors sa résistance à l’état passant va le faire chauffer. Si le dissipateur thermique est mauvais alors le MOSFET peut être détruit par une température excessive. Une solution à cela peut être de mettre en parallèle plusieurs MOSFET pour partager les courants de charge élevés entre eux.

Configuration en H ou en pont complet Shoot-through / Conduction croisée

Lorsque l’on utilise des MOSFET P et N entre des rails de tension pour fournir une tension de sortie H ou L, si les signaux de commande des MOSFET se chevauchent alors ils court-circuitent effectivement l’alimentation et ceci est connu comme une condition de shoot-through. Lorsqu’il se produit tout condensateurs de découplage d’alimentation sont déchargés rapidement à travers les deux dispositifs chaque fois qu’une transition de commutation se produit et résultant en impulsions de courant très courtes mais importantes.

Pour éviter cela, vous devez permettre un temps mort entre les transitions de commutation, pendant lequel aucun des MOSFET n’est allumé.

Pas de chemin de courant de roue libre

Lorsqu’on commute des charges inductives, il doit y avoir un chemin pour que la force contre-électromotrice se mette en roue libre lorsque le MOSFET s’éteint. Les MOSFET à mode d’enrichissement intègrent une diode qui assure cette protection.

Lente récupération inverse de la diode de corps du MOSFET

Les circuits résonnants à haut Q sont capables de stocker une énergie considérable dans leur inductance et leur auto-capacité. Dans certaines conditions d’accord, cela provoque la  » roue libre  » du courant à travers les diodes de corps internes des dispositifs MOSFET lorsqu’un MOSFET s’éteint et que l’autre dispositif s’allume. Un problème survient en raison de la lenteur de l’extinction (ou de la récupération inverse) de la diode de corps interne lorsque le MOSFET opposé tente de s’allumer. Les diodes de corps des MOSFET ont généralement un long temps de récupération inverse par rapport aux performances du MOSFET lui-même. Si la diode de corps d’un MOSFET est conductrice lorsque le dispositif opposé est allumé, un « court-circuit » se produit, similaire à la condition de passage décrite ci-dessus. Vous pouvez résoudre ce problème en ajoutant une diode Schottky connectée en série avec la source du MOSFET (ce qui empêche la diode de corps du MOSFET d’être polarisée dans le sens direct par le courant de roue libre) et une diode à haute vitesse (récupération rapide) connectée en parallèle à la paire MOSFET/Schottky de sorte que le courant de roue libre contourne complètement le MOSFET et la Schottky. Cela garantit que la diode du corps du MOSFET n’est jamais mise en conduction. Le courant de roue libre est géré par les diodes à récupération rapide qui présentent moins de problème de shoot through.

Commande excessive de la grille

Si la grille du MOSFET est commandée avec une tension trop élevée, l’isolation de l’oxyde de la grille peut être perforée détruisant efficacement le MOSFET. Veillez à ce que le signal de commande de grille soit exempt de toute pointe de tension étroite qui pourrait dépasser la tension de grille maximale autorisée.

Transitions de commutation lentes

Peu d’énergie est dissipée pendant les états de marche et d’arrêt stables, mais une énergie considérable est dissipée pendant les temps d’une transition. Il est donc souhaitable de passer d’un état à l’autre aussi rapidement que possible pour minimiser la dissipation d’énergie pendant la commutation. La grille du MOSFET étant capacitive, il faut des impulsions de courant considérables pour charger et décharger la grille en quelques dizaines de nanosecondes. Les courants de pointe de la grille peuvent atteindre un ampère.

Obscillation parasite

Les entrées MOSFET ont une impédance relativement élevée, ce qui peut entraîner des problèmes de stabilité. Dans certaines conditions, les dispositifs MOSFET haute tension peuvent osciller à des fréquences très élevées en raison de l’inductance et de la capacité parasites dans le circuit environnant. (Fréquences généralement dans les faibles MHz.) Un circuit d’attaque de grille à faible impédance doit également être utilisé pour empêcher les signaux parasites de se coupler à la grille du dispositif.

Interférences conduites avec le contrôleur

La commutation rapide de courants importants peut provoquer des creux de tension et des pointes transitoires sur les rails d’alimentation qui peuvent interférer avec le circuit de commande. De bonnes techniques de découplage et de mise à la terre en étoile doivent être utilisées.

Dommages dus à l’électricité statique

Les MOSFET sont très sensibles à l’électricité statique. Des précautions de manipulation antistatiques doivent être utilisées pour éviter les dommages à l’oxyde de grille.