Nous avons vu précédemment que le MOSFET à canal N, en mode d’amélioration (e-MOSFET), fonctionne à l’aide d’une tension d’entrée positive et possède une résistance d’entrée extrêmement élevée (presque infinie), ce qui permet d’utiliser le MOSFET comme un interrupteur lorsqu’il est connecté à presque n’importe quelle porte logique ou conducteur capable de produire une sortie positive.

Nous avons également vu que, en raison de cette très haute résistance d’entrée (de grille), nous pouvons paralléliser en toute sécurité de nombreux MOSFET différents jusqu’à atteindre la capacité de courant requise.

Bien que connecter divers MOSFET en parallèle puisse permettre de commuter des courants élevés ou des charges à haute tension, cela devient coûteux et peu pratique tant en termes de composants que d’espace sur le circuit imprimé. Pour surmonter ce problème, des transistors à effet de champ de puissance, ou Power FET, ont été développés.

Nous savons maintenant qu’il existe deux principales différences entre les transistors à effet de champ : le mode d’épuisement uniquement pour les JFET et à la fois le mode d’amélioration et le mode d’épuisement pour les MOSFET. Dans ce tutoriel, nous examinerons l’utilisation du MOSFET en mode d’amélioration comme interrupteur, car ces transistors nécessitent une tension de grille positive pour s’allumer et une tension nulle pour s’éteindre, ce qui les rend facilement compréhensibles comme des interrupteurs et faciles à interfacer avec des portes logiques.

Le fonctionnement du MOSFET en mode d’amélioration, ou e-MOSFET, peut être mieux décrit en utilisant ses courbes caractéristiques I-V montrées ci-dessous. Lorsque la tension d’entrée (V_IN) à la grille du transistor est nulle, le MOSFET ne conduit pratiquement aucun courant et la tension de sortie (V_OUT) est égale à la tension d’alimentation V_DD. Ainsi, le MOSFET est « OFF », fonctionnant dans sa région de coupure.

Cours caractéristiques du MOSFET

La tension minimale de grille en état ON requise pour garantir que le MOSFET reste « ON » lors du transport du courant de drain sélectionné peut être déterminée à partir des courbes de transfert V-I ci-dessus. Lorsque V_IN est HAUT ou égal à V_DD, le point Q du MOSFET se déplace vers le point A le long de la ligne de charge.

Le courant de drain I_D augmente jusqu’à sa valeur maximale en raison d’une réduction de la résistance du canal. I_D devient une valeur constante indépendante de V_DD, et dépend uniquement de V_GS. Par conséquent, le transistor se comporte comme un interrupteur fermé, mais la résistance ON du canal ne diminue pas complètement à zéro en raison de sa valeur R_DS(on), mais devient très petite.

De même, lorsque V_IN est BAS ou réduit à zéro, le point Q du MOSFET se déplace du point A au point B le long de la ligne de charge. La résistance du canal est très élevée, donc le transistor agit comme un circuit ouvert et aucun courant ne circule à travers le canal. Ainsi, si la tension de grille du MOSFET oscille entre deux valeurs, HAUT et BAS, le MOSFET se comportera comme un interrupteur à un pôle un jet (SPST) à état solide et cette action est définie comme :

1. Région de coupure

Les conditions de fonctionnement du transistor sont une tension d’entrée nulle à la grille (V_IN), un courant de drain nul I_D et une tension de sortie V_DS = V_DD. Par conséquent, pour un MOSFET de type amélioration, le canal conducteur est fermé et l’appareil est éteint « OFF ».

Caractéristiques de coupure

• L’entrée et la grille sont à la terre (0V) • Tension de grille-source inférieure à la tension de seuil VGS < VTH • Le MOSFET est « OFF » (région de coupure) • Aucun courant de drain ne circule (ID = 0 Amps) • VOUT = VDS = VDD = « 1 » • Le MOSFET fonctionne comme un « interrupteur ouvert »

Nous pouvons donc définir la région de coupure ou le « mode OFF » pour un e-MOSFET comme étant, tension de grille V_GS < V_TH donc I_D = 0. Pour un MOSFET d’amélioration à canal P, le potentiel de la grille doit être plus positif par rapport à la source.

2. Région de saturation

Dans la région de saturation ou linéaire, le transistor sera polarisé de telle sorte que la plus grande quantité de tension de grille soit appliquée à l’appareil, ce qui réduit la résistance du canal R_DS(on) aussi petit que possible avec un courant de drain maximal circulant à travers l’interrupteur MOSFET. Ainsi, pour le MOSFET de type amélioration, le canal conducteur est ouvert et l’appareil est activé « ON ».

Caractéristiques de saturation

• L’entrée et la grille sont connectées à VDD • La tension de grille-source est bien supérieure à la tension de seuil VGS > VTH • Le MOSFET est « ON » (région de saturation) • Le courant de drain maximal circule (ID = VDD / RL) • VDS = 0V (saturation idéale) • Résistance minimale du canal RDS(on) < 0.1Ω • VOUT = VDS ≅ 0.2V en raison de RDS(on) • Le MOSFET fonctionne comme un « interrupteur fermé » à faible résistance

Nous pouvons donc définir la région de saturation ou le « mode ON » lorsque nous utilisons un e-MOSFET comme interrupteur à partir de la tension grille-source V_GS > V_TH donc I_D = Maximum. Pour un MOSFET d’amélioration à canal P, le potentiel de la grille doit être plus négatif par rapport à la source.

En appliquant une tension de commande appropriée à la grille d’un FET, la résistance du canal drain-source R_DS(on) peut varier d’une « résistance OFF » de plusieurs centaines de kΩ, effectivement un circuit ouvert, à une « résistance ON » inférieure à 1Ω, agissant effectivement comme un court-circuit.

Lorsque nous utilisons le MOSFET comme un interrupteur, nous pouvons faire passer le MOSFET en mode « ON » plus rapidement ou plus lentement, ou faire circuler des courants élevés ou faibles. Cette capacité à mettre le MOSFET de puissance « ON » et « OFF » permet à l’appareil d’être utilisé comme un interrupteur très efficace avec des vitesses de commutation beaucoup plus rapides que les transistors bipolaires standards.

Exemple d’utilisation du MOSFET comme interrupteur

Dans cet agencement de circuit, un MOSFET à canal N en mode amélioration est utilisé pour allumer et éteindre une lampe simple (qui pourrait également être une LED).

La tension d’entrée de la grille V_GS est amenée à un niveau de tension positive approprié pour activer l’appareil et donc la charge de la lampe soit « ON », (V_GS = +ve) ou à un niveau de tension nulle qui éteint l’appareil « OFF », (V_GS = 0V).

Si la charge résistive de la lampe devait être remplacée par une charge inductive telle qu’une bobine, un solénoïde ou un relais, une « diode de roue libre » serait nécessaire en parallèle avec la charge pour protéger le MOSFET de toute contre-electromotance générée par soi-même.

Cela montre un circuit très simple pour commuter une charge résistive comme une lampe ou une LED. Cependant, en utilisant des MOSFETs de puissance pour commuter des charges inductives ou capacitatives, une forme de protection est nécessaire pour éviter que le dispositif MOSFET ne subisse des dommages. L’activation d’une charge inductive a l’effet inverse de l’activation d’une charge capacitive.

Par exemple, un condensateur sans charge électrique est un court-circuit, entraînant un fort « courant d’appel », et lorsqu’on retire la tension d’une charge inductive, nous avons une importante tension inverse s’accumulant alors que le champ magnétique s’effondre, entraînant une contre-electromotance induite dans les enroulements de l’inducteur.

Nous pouvons donc résumer les caractéristiques de commutation des types de MOSFET à canal N et P dans le tableau suivant.

Notez que contrairement au MOSFET à canal N, dont la borne de grille doit être rendue plus positive (attirant des électrons) que la source pour permettre au courant de circuler à travers le canal, la conduction à travers le MOSFET à canal P est due à l’écoulement de trous. C’est-à-dire que la borne de grille d’un MOSFET à canal P doit être rendue plus négative que la source et ne cessera de conduire (coupure) que lorsque la grille sera plus positive que la source.

Ainsi, pour qu’un MOSFET de puissance de type amélioration fonctionne comme un dispositif de commutation analogique, il doit être commuté entre sa « région de coupure » où : V_GS = 0V (ou V_GS = -ve) et sa « région de saturation » où : V_GS(on) = +ve. La puissance dissipée dans le MOSFET (P_D) dépend du courant circulant dans le canal I_D à saturation et de l’« ON-resistance » du canal donnée comme R_DS(on). Pour illustrer :

Exemple de MOSFET comme interrupteur No1

Supposons que la lampe soit notée à 6V, 24W et soit complètement « ON », le MOSFET standard a une valeur de résistance du canal à l ON ( R_DS(on) ) de 0.1 ohms. Calculez la puissance dissipée dans le dispositif de commutation MOSFET.

Le courant circulant à travers la lampe est calculé comme suit :

Alors, la puissance dissipée dans le MOSFET sera donnée par :

Vous pourriez être assis là à penser, eh bien, et alors ! Mais lorsqu’on utilise le MOSFET comme un interrupteur pour contrôler des moteurs à courant continu ou des charges électriques avec des courants d’appel élevés, la résistance du canal « ON » ( R_DS(on) ) entre le drain et la source est très importante. Par exemple, les MOSFETs qui contrôlent des moteurs à courant continu sont soumis à un fort courant d’appel lorsque le moteur commence à tourner, car le courant de démarrage du moteur n’est limité que par la très faible valeur de résistance des enroulements du moteur.

Comme la relation fondamentale de puissance est : P = I²R, alors une résistance de canal R_DS(on) élevée donnerait simplement lieu à de grandes quantités de puissance dissipée et gaspillée à l’intérieur même du MOSFET, entraînant une élévation excessive de la température, ce qui, si elle n’est pas contrôlée, pourrait entraîner le MOSFET à devenir très chaud et à s’endommager en raison d’une surcharge thermique.

Une valeur plus basse de R_DS(on) pour la résistance du canal est également un paramètre souhaitable, car elle aide à réduire la tension de saturation effective du canal ( V_DS(sat) = I_D*R_DS(on) ) à travers le MOSFET et fonctionnera donc à une température plus fraîche. Les MOSFETs de puissance ont généralement une valeur de R_DS(on) inférieure à 0.01Ω, ce qui leur permet de fonctionner plus frais, prolongeant ainsi leur durée de vie opérationnelle.

Une des principales limitations lors de l’utilisation d’un MOSFET comme dispositif de commutation est le courant de drain maximal qu’il peut supporter. Ainsi, le paramètre R_DS(on) est un guide important pour l’efficacité de commutation du MOSFET et est simplement donné comme le rapport de V_DS / I_D lorsque le transistor est commuté « ON ».

Lorsqu’on utilise un MOSFET ou tout type de transistor à effet de champ en tant que dispositif de commutation à état solide, il est toujours conseillé de choisir ceux qui ont une très faible valeur R_DS(on) ou du moins de les monter sur un dissipateur de chaleur approprié pour aider à réduire toute fuite thermique et dommages. Les MOSFETs de puissance utilisés comme interrupteurs intègrent généralement une protection contre les courants de pointe dans leur design, mais pour les applications à courant élevé, le transistor à jonction bipolaire est un meilleur choix.

Contrôle des moteurs avec MOSFET de puissance

En raison de l’extrêmement haute résistance d’entrée ou de grille que possède le MOSFET, ses vitesses de commutation très rapides et la facilité avec laquelle ils peuvent être pilotés les rendent idéaux pour s’interfacer avec des amplificateurs opérationnels ou des portes logiques standard. Cependant, il convient de faire attention pour s’assurer que la tension d’entrée de grille-source est correctement choisie, car lorsque l’on utilise le MOSFET comme interrupteur, le dispositif doit obtenir une faible résistance de canal R_DS(on) en proportion de cette tension d’entrée de grille.

Les MOSFETs de puissance à seuil faible peuvent ne pas commuter « ON » tant qu’au moins 3V ou 4V n’ont pas été appliqués à leur grille, et si la sortie de la porte logique est seulement +5V, cela peut être insuffisant pour entraîner complètement le MOSFET vers la saturation. Des MOSFETs à seuil plus bas, conçus pour s’interfacer avec des portes logiques TTL et CMOS qui ont des seuils aussi bas que 1,5V à 2,0V, sont disponibles.

Les MOSFETs de puissance peuvent être utilisés pour contrôler le mouvement des moteurs à courant continu ou des moteurs pas à pas sans balais directement à partir de la logique informatique ou en utilisant des contrôleurs de type modulation de largeur d’impulsion (PWM). Comme un moteur à courant continu offre un couple de démarrage élevé et qui est également proportionnel au courant de l’armature, les interrupteurs MOSFET associés à un PWM peuvent être utilisés comme un très bon contrôleur de vitesse qui fournirait un fonctionnement doux et silencieux du moteur.

Contrôleur de moteur MOSFET de puissance simple

Comme la charge moteur est inductive, une simple diode de roue libre est connectée à travers la charge inductive pour dissiper toute contre-emf générée par le moteur lorsque le MOSFET l’éteint. Un réseau de clamp composé d’une diode zener en série avec la diode peut également être utilisé pour permettre une commutation plus rapide et un meilleur contrôle de la tension inversée de pic et du temps de coupure.

Pour plus de sécurité, une diode en silicium ou zener D₁ peut également être placée à travers le canal d’un interrupteur MOSFET lors de l’utilisation de charges inductives, telles que des moteurs, des relais, des solénoïdes, etc., pour supprimer les transitoires de commutation en surtension et le bruit donnant une protection supplémentaire à l’interrupteur MOSFET si nécessaire. La résistance R_GS est utilisée comme une résistance de tirage pour aider à ramener la tension de sortie TTL à 0V lorsque le MOSFET est éteint « OFF ».

MOSFET à canal P comme interrupteur

Interrupteur P-canal
MOSFET

Mais dans certaines applications, nous devons utiliser le MOSFET à canal P en mode amélioration où la charge est connectée directement à la terre. Dans ce cas, l’interrupteur MOSFET est connecté entre la charge et le rail d’alimentation positif (commutation côté haut) comme nous le faisons avec des transistors PNP.

Dans un dispositif à canal P, l’écoulement conventionnel du courant de drain se fait en direction négative, une tension de grille-source négative est donc appliquée pour activer le transistor « ON ».

Cela est obtenu parce que le MOSFET à canal P est « à l’envers » avec son terminal source connecté à l’alimentation positive +V_DD. Ensuite, lorsque l’interrupteur devient BAS, le MOSFET s’allume « ON » et lorsqu’il devient HAUT, le MOSFET s’éteint « OFF ».

Cette connexion inversée d’un interrupteur MOSFET à canal P permet de le connecter en série avec un MOSFET à canal N en mode amélioration pour produire un dispositif de commutation complémentaire ou CMOS, comme illustré dans une alimentation duale.

MOSFET complémentaire comme contrôleur de moteur

Les deux MOSFETs sont configurés pour produire un interrupteur bi-directionnel à partir d’une alimentation duale avec le moteur connecté entre la connexion de drain commune et la référence de terre. Lorsque l’entrée est BAS, le MOSFET à canal P est activé, car sa jonction grille-source est polarisée négativement, donc le moteur tourne dans une direction. Seul le rail d’alimentation positif +V_DD est utilisé pour faire tourner le moteur.

Lorsque l’entrée est HAUTE, le dispositif à canal P s’éteint et le dispositif à canal N s’allume, car sa jonction grille-source est polarisée positivement. Le moteur tourne maintenant dans l’autre direction car la tension terminale du moteur a été inversée puisqu’elle est désormais alimentée par le rail d’alimentation négatif -V_DD.

Le MOSFET à canal P est donc utilisé pour commuter l’alimentation positive au moteur pour la direction avant (commutation côté haut), tandis que le MOSFET à canal N est utilisé pour commuter l’alimentation négative au moteur pour la direction arrière (commutation côté bas).

Il existe une variété de configurations pour piloter les deux MOSFETs avec de nombreuses applications différentes. Les dispositifs à canal P et à canal N peuvent être pilotés par un seul circuit intégré de commande de grille, comme montré.

Cependant, pour éviter la conduction croisée avec les deux MOSFETs conduisant en même temps à travers les deux polarités de l’alimentation duale, des dispositifs de commutation rapides sont nécessaires pour fournir un certain temps d’écart entre leur passage à l’état « OFF » et l’autre à l’état « ON ». Une façon de surmonter ce problème est de piloter les portes des deux MOSFETs séparément. Cela produit alors une troisième option de « STOP » pour le moteur lorsque les deux MOSFETs sont « OFF ».

Tableau de contrôle de moteur MOSFET comme interrupteur

Il est à noter qu’il est important qu’aucune autre combinaison d’entrées ne soit autorisée en même temps, car cela pourrait provoquer un court-circuit de l’alimentation, les deux MOSFETs, FET₁ et FET₂ pouvant être actionnés « ON » ensemble entraînant : ( fusible = bang ! ), soyez prévenu.