Nous avons vu précédemment, que le MOSFET à canal N, en mode amélioration (e-MOSFET) fonctionne en utilisant une tension d’entrée positive et a une résistance d’entrée extrêmement élevée (presque infinie) rendant possible l’interface avec presque n’importe quelle porte logique ou pilote capable de produire une sortie positive.
Nous avons également vu qu’en raison de cette résistance d’entrée (grille) très élevée, nous pouvons en toute sécurité mettre en parallèle de nombreux MOSFETS différents jusqu’à ce que nous obtenions la capacité de traitement du courant dont nous avons besoin.
Bien que la connexion en parallèle de divers MOSFETS puisse nous permettre de commuter des courants élevés ou des charges à haute tension, le faire devient coûteux et peu pratique à la fois en termes de composants et d’espace sur le circuit imprimé. Pour surmonter ce problème, des transistors à effet de champ de puissance ou Power FET ont été développés.V
Nous savons maintenant qu’il existe deux différences principales entre les transistors à effet de champ, le mode de déplétion uniquement pour les JFET et le mode d’amélioration et le mode de déplétion pour les MOSFET. Dans ce tutoriel, nous examinerons l’utilisation du MOSFET en mode d’amélioration en tant que commutateur, car ces transistors nécessitent une tension de grille positive pour se mettre » en marche » et une tension nulle pour se mettre » à l’arrêt « , ce qui les rend facilement compréhensibles en tant que commutateurs et également 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 de caractéristiques I-V présentées ci-dessous. Lorsque la tension d’entrée, ( VIN ) à la grille du transistor est nulle, le MOSFET ne conduit pratiquement aucun courant et la tension de sortie ( VOUT ) est égale à la tension d’alimentation VDD. Le MOSFET est donc « OFF » fonctionnant dans sa région de « coupure ».
Courbes de caractéristiques du MOSFET
La tension de grille minimale à l’état ON requise pour garantir que le MOSFET reste « ON » lorsqu’il transporte le courant de drain sélectionné peut être déterminée à partir des courbes de transfert V-I ci-dessus. Lorsque VIN est HAUT ou égal à VDD, le point Q du MOSFET se déplace vers le point A le long de la ligne de charge.
Le courant de drain ID augmente jusqu’à sa valeur maximale en raison d’une réduction de la résistance du canal. ID devient une valeur constante indépendante de VDD, et ne dépend que de VGS. Par conséquent, le transistor se comporte comme un interrupteur fermé mais la résistance de canal ON ne se réduit pas complètement à zéro en raison de sa valeur RDS(on), mais devient très petite.
De même, lorsque VIN 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 étant très élevée, le transistor se comporte comme un circuit ouvert et aucun courant ne circule dans le canal. Ainsi, si la tension de grille du MOSFET bascule entre deux valeurs, HAUT et BAS, le MOSFET se comportera comme un interrupteur à semi-conducteurs « unipolaire unidirectionnel » (SPST) et cette action est définie comme:
1. Région de coupure
Ici, les conditions de fonctionnement du transistor sont une tension de grille d’entrée nulle ( VIN ), un courant de drain nul ID et une tension de sortie VDS = VDD. Par conséquent, pour un MOSFET de type à enrichissement, le canal conducteur est fermé et le dispositif est commuté « OFF ».
Caractéristiques de coupure
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Alors nous pouvons définir la région de coupure ou le « mode OFF » lors de l’utilisation d’un e-MOSFET comme interrupteur comme étant, tension de grille, VGS < VTH donc ID = 0. Pour un MOSFET à enrichissement à canal P, le potentiel de 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 manière à ce que la quantité maximale de tension de grille soit appliquée au dispositif, ce qui a pour conséquence que la résistance de canal RDS(on soit la plus petite possible avec un courant de drain maximal circulant à travers l’interrupteur MOSFET. Par conséquent, pour le MOSFET de type à enrichissement, le canal conducteur est ouvert et le dispositif est commuté « ON ».
Caractéristiques de saturation
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Puis nous pouvons définir la région de saturation ou le « mode ON » lors de l’utilisation d’un e-MOSFET comme interrupteur comme tension de source de grille, VGS > VTH donc ID = Maximum. Pour un MOSFET à enrichissement à canal P, le potentiel de la grille doit être plus négatif par rapport à la source.
En appliquant une tension d’attaque appropriée à la grille d’un FET, la résistance du canal drain-source, RDS(on) peut varier d’une « résistance à l’arrêt » de plusieurs centaines de kΩ, effectivement un circuit ouvert, à une « résistance à l’allumage » de moins de 1Ω, agissant effectivement comme un court-circuit.
Lorsque nous utilisons le MOSFET comme commutateur, nous pouvons le piloter pour qu’il devienne « ON » plus rapidement ou plus lentement, ou qu’il passe des courants élevés ou faibles. Cette capacité d’allumer et d’éteindre le MOSFET de puissance permet au dispositif d’être utilisé comme un commutateur très efficace avec des vitesses de commutation beaucoup plus rapides que les transistors à jonction bipolaire standard.
Un exemple d’utilisation du MOSFET comme commutateur
Dans ce montage de circuit, un MOSFET à canal N en mode d’amélioration est utilisé pour allumer et éteindre une simple lampe (il pourrait également s’agir d’une LED).
La tension d’entrée de la grille VGS est portée à un niveau de tension positif approprié pour allumer le dispositif et donc la charge de la lampe soit « ON », ( VGS = +ve ), soit à un niveau de tension nul qui éteint le dispositif « OFF », ( VGS = 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 volant » serait nécessaire en parallèle avec la charge pour protéger le MOSFET de toute rétro-emf auto générée.
Ce qui précède montre un circuit très simple pour commuter une charge résistive telle qu’une lampe ou une LED. Mais lorsqu’on utilise des MOSFET de puissance pour commuter des charges inductives ou capacitives, une certaine forme de protection est nécessaire pour éviter que le dispositif MOSFET ne soit endommagé. La commande d’une charge inductive a l’effet inverse de la commande d’une charge capacitive.
Par exemple, un condensateur sans charge électrique est un court-circuit, ce qui entraîne un « inrush » élevé de courant et lorsque nous retirons la tension d’une charge inductive, nous avons une grande accumulation de tension inverse car le champ magnétique s’effondre, ce qui entraîne une rétro-emf induite dans les enroulements de l’inducteur.
Alors nous pouvons résumer les caractéristiques de commutation du MOSFET de type à canal N et à canal P dans le tableau suivant.
| Transistor MOSFET Type | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 |
| N-canal Amélioration | OFF | OFF | ON |
| N-canal Épuisement | OFF | ON | ON |
| P- | ON | OFF | OFF |
| Appauvrissement du canal P | ON | ON | OFF |
Notez que contrairement au MOSFET à canal N-MOSFET à canal N- dont la borne de grille doit être rendue plus positive (attirant les électrons) que la source pour permettre au courant de circuler dans le canal, la conduction à travers le MOSFET à canal P est due à l’écoulement des 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.
Donc, pour que le MOSFET de puissance de type à enrichissement fonctionne comme un dispositif de commutation analogique, il doit être commuté entre sa « région de coupure » où : VGS = 0V (ou VGS = -ve) et sa « Région de saturation » où : VGS(on) = +ve. La puissance dissipée dans le MOSFET ( PD ) dépend du courant circulant dans le canal ID à la saturation et aussi de la « résistance à l’état passant » du canal donnée par RDS(on). Par exemple.
MOSFET comme interrupteur Exemple No1
Supposons que la lampe est évaluée à 6v, 24W et est complètement « ON », le MOSFET standard a une valeur de résistance à l’enclenchement du canal ( RDS(on) ) de 0,1ohms. Calculez la puissance dissipée dans le dispositif de commutation MOSFET.
Le courant circulant à travers la lampe est calculé comme:
Alors la puissance dissipée dans le MOSFET sera donnée comme:
Vous pouvez être assis là à penser, bien et alors !…, mais lorsque vous utilisez le MOSFET comme interrupteur pour contrôler des moteurs à courant continu ou des charges électriques avec des courants d’appel élevés, la résistance du canal « ON » ( RDS(on) ) entre le drain et la source est très importante. Par exemple, les MOSFET qui commandent des moteurs à courant continu, sont soumis à un courant d’appel élevé lorsque le moteur commence à tourner, car le courant de démarrage des moteurs n’est limité que par la très faible valeur de résistance des enroulements des moteurs.
Comme la relation de puissance de base est : P = I2R, alors une valeur de résistance de canal RDS(on) élevée entraînerait simplement de grandes quantités de puissance dissipée et gaspillée à l’intérieur du MOSFET lui-même, ce qui entraînerait une augmentation excessive de la température, qui, si elle n’est pas contrôlée, pourrait faire en sorte que le MOSFET devienne très chaud et endommagé en raison d’une surcharge thermique.
Une valeur RDS(on) plus faible pour la résistance du canal est également un paramètre souhaitable car elle permet de réduire la tension de saturation effective des canaux ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) à travers le MOSFET et fonctionnera donc à une température plus froide. Les MOSFET de puissance ont généralement une valeur RDS(on) inférieure à 0,01Ω, ce qui leur permet de fonctionner à une température plus froide, prolongeant ainsi leur durée de vie opérationnelle.
L’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 RDS(on) est un guide important de l’efficacité de commutation du MOSFET et est simplement donné comme le rapport de VDS / ID lorsque le transistor est commuté « ON ».
Lorsqu’on utilise un MOSFET ou tout type de transistor à effet de champ d’ailleurs comme dispositif de commutation à semi-conducteurs, il est toujours conseillé de choisir ceux qui ont une valeur RDS(on) très faible ou au moins de les monter sur un dissipateur thermique approprié pour aider à réduire tout emballement thermique et tout dommage. Les MOSFET de puissance utilisés comme commutateur ont généralement une protection contre les surtensions intégrée dans leur conception, mais pour les applications à courant élevé, le transistor à jonction bipolaire est un meilleur choix.
Commande de moteur MOSFET de puissance
En raison de la résistance d’entrée ou de grille extrêmement élevée 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 op-amps ou des portes logiques standard. Cependant, il faut veiller à ce que la tension d’entrée grille-source soit correctement choisie car, lorsqu’on utilise le MOSFET comme commutateur, le dispositif doit obtenir une faible résistance de canal RDS(on) proportionnelle à cette tension de grille d’entrée.
Les MOSFET de puissance de type à faible seuil peuvent ne pas passer à l’état « ON » avant qu’une tension d’au moins 3V ou 4V ait été appliquée à sa grille et si la sortie de la porte logique n’est que de +5V logique, cela peut être insuffisant pour conduire complètement le MOSFET à saturation. L’utilisation de MOSFET à seuil plus bas conçus pour l’interfaçage avec les portes logiques TTL et CMOS qui ont des seuils aussi bas que 1,5V à 2,0V sont disponibles.
Les MOSFET de puissance peuvent être utilisés pour contrôler le mouvement des moteurs à courant continu ou des moteurs pas à pas sans balai directement à partir de la logique de l’ordinateur 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 d’induit, les commutateurs MOSFET accompagnés d’un PWM peuvent être utilisés comme un très bon contrôleur de vitesse qui permettrait un fonctionnement régulier et silencieux du moteur.
Contrôleur de moteur MOSFET de puissance simple
Comme la charge du moteur est inductive, une simple diode à volant est connectée à travers la charge inductive pour dissiper toute force contre-électromotrice générée par le moteur lorsque le MOSFET le met « hors tension ». Un réseau de serrage formé par 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 inverse de pointe et du temps de chute.
Pour plus de sécurité, une diode au silicium ou zener supplémentaire D1 peut également être placée à travers le canal d’un commutateur MOSFET lors de l’utilisation de charges inductives, telles que des moteurs, des relais, des solénoïdes, etc, pour supprimer les transitoires de commutation de surtension et le bruit donnant une protection supplémentaire au commutateur MOSFET si nécessaire. La résistance RGS est utilisée comme une résistance pull-down pour aider à tirer la tension de sortie TTL vers le bas à 0V lorsque le MOSFET est commuté « OFF ».
Switch MOSFET à canal P
Jusqu’à présent, nous avons examiné le MOSFET à canal N comme un commutateur où le MOSFET est placé entre la charge et la masse. Cela permet également au signal de commande de grille ou de commutation du MOSFET d’être référencé à la masse (commutation côté bas).
Canal P
Commutateur MOSFET
Mais dans certaines applications, nous avons besoin d’utiliser un MOSFET à canal P en mode enrichissement où la charge est connectée directement à la masse. Dans ce cas, le commutateur MOSFET est connecté entre la charge et le rail d’alimentation positif (commutation côté haut) comme nous le faisons avec les transistors PNP.
Dans un dispositif à canal P, le flux conventionnel du courant de drain est dans la direction négative, donc une tension négative grille-source est appliquée pour commuter le transistor « ON ».
Cela est réalisé parce que le MOSFET à canal P est « à l’envers » avec sa borne de source liée à l’alimentation positive +VDD. Ensuite, lorsque l’interrupteur passe à BAS, le MOSFET passe à « ON » et lorsque l’interrupteur passe à HAUT, le MOSFET passe à « OFF ».
Cette connexion à l’envers d’un interrupteur MOSFET à canal P en mode d’amélioration nous permet de le connecter en série avec un MOSFET à canal N en mode d’amélioration pour produire un dispositif de commutation complémentaire ou CMOS, comme illustré à travers une double alimentation.
Contrôleur de moteur MOSFET complémentaire
Les deux MOSFET sont configurés pour produire un commutateur bidirectionnel à partir d’une double alimentation avec le moteur connecté entre la connexion de drain commun et la référence de masse. Lorsque l’entrée est BAS, le MOSFET à canal P est activé car sa jonction grille-source est polarisée négativement, de sorte que le moteur tourne dans un sens. Seul le rail d’alimentation positif +VDD est utilisé pour piloter le moteur.
Lorsque l’entrée est HIGH, 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 la direction opposée parce que la tension aux bornes des moteurs a été inversée car elle est maintenant alimentée par le rail d’alimentation négatif -VDD.
Alors le MOSFET à canal P est utilisé pour commuter l’alimentation positive du moteur pour la direction avant (commutation côté haut) tandis que le MOSFET à canal N est utilisé pour commuter l’alimentation négative du moteur pour la direction arrière (commutation côté bas).
Il existe une variété de configurations pour commander les deux MOSFET avec de nombreuses applications différentes. Les dispositifs à canal P et à canal N peuvent être commandés par un seul circuit intégré de commande de grille, comme illustré.
Cependant, pour éviter la conduction croisée avec les deux MOSFET conduisant en même temps à travers les deux polarités de la double alimentation, des dispositifs de commutation rapides sont nécessaires pour fournir une certaine différence de temps entre eux se mettant à « OFF » et l’autre se mettant à « ON ». Une façon de surmonter ce problème est de piloter les portes des deux MOSFETS séparément. Cela produit alors une troisième option de « STOP » au moteur lorsque les deux MOSFETS sont « OFF ».
Tableau de commande de moteur MOSFET complémentaire
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Fonction du moteur |
| OFF | OFF | Moteur arrêté (OFF) |
| ON | OFF | Moteur tourne en avant |
| OFF | ON | Retournement du moteur |
| ON | ON | NOT ALLOWED |
Veuillez 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, car les deux MOSFETS, FET1 et FET2, pourraient être allumés ensemble, ce qui entraînerait.. : ( fusible = bang ! ), soyez avertis.
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