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MOSFET.png

Les MOSFET appartiennent à la grande famille des transistors. C'est à dire ces composants « à trois pattes », capables de moduler le courant qui les traverse. Ainsi, comme les autres transistors, les MOSFET peuvent servir à amplifier un signal. Mais aussi, et c'est là qu'ils excellent, à commuter un circuit – c'est à dire l'ouvrir ou le fermer un peu à la manière d'un interrupteur électriquement commandé. C'est particulièrement vrai pour les MOSFET de puissance (power MOSFET) qui sont capables de commuter une charge de plusieurs ampères sur une impulsion de quelques volts. Pour donner quelques exemples d'application, à l'aide d'un MOSFET, il est directement possible d’actionner la gâche électrique d'un serrure (12V/0,8A) à partir d'une broche de sortie d'un circuit logique CMOS (5V). Ou encore de mettre en marche un moteur à courant continu (48V, ≤15A) sous l'impulsion d'un micro-contrôleur (3,3V).


Note:

Il existe en réalité plusieurs types de MOSFET. Ici, je ne parle exclusivement que de MOSFET à enrichissement à canal N (enhancement mode n-channel MOSFET). Mais on trouve aussi, par exemple, des MOSFET à canal P (p-channel MOSFET) qui fonctionnent de manière identique, mais en inversant les polarités.

Anatomie

RFD3055.png

RFD3055LE n-channel power MOSFET

En package individuel, vu de l’extérieur, un MOSFET se présente la plupart du temps comme un composant doté de trois électrodes:

la grille (ou gate en anglais)
cet électrode contrôle le MOSFET. C'est elle qui permet de choisir quelle quantité de courant le composant va laisser passer entre les deux autres électrodes.
le drain (drain en anglais)
c'est par cet électrode que le courant peut rentrer dans le composant.
la source (source en anglais)
l'électrode qui sert de sortie au courant lorsque le MOSFET est passant.

Sur le principe, on peut se représenter un MOSFET comme une résistance variable dont la valeur serait déterminée par la tension sur la grille. Dans le cas d'un MOSFET à enrichissement à canal N, la résistance entre le drain et la source diminue quand la tension entre la grille et la source augmente.

Caractéristiques

Les MOSFET sont des composants transconducteurs. C'est un mot un peu barbare pour dire que c'est la tension sur la grille qui va servir à réguler l'intensité du courant autorisé à circuler entre le drain et la source. Par ailleurs, comme la liaison drain-source est isolée de la grille (par une couche de verre d'une épaisseur microscopique), le courant consommé en régime continu sur cette dernière broche est négligeable. Ce qui permet d'envisager de piloter un MOSFET même avec des circuit électronique capables de ne fournir qu'un courant de très faible intensité. Quelle conséquence? Et bien, pour peu qu'il soit en mesure de fournir la tension nécessaire, même un circuit de très faible puissance peut directement commander une charge de plusieurs dizaines d'ampères.

power MOSFET

Quelques power MOSFET
Id
max. continu
Vds
max.
Rds(on)
(@ Id, Vgs)
Vgs(th)
max.
FQP13N10 12.8A100V 180 mΩ @ 6.4A, 10V4.00V
IRL510 5.6A100V 540 mΩ @ 3.4A, 5V2.00V
IRLB8721 62.0A30V 8.7 mΩ @ 31A, 10V2.35V
IPS075N03 50.0A30V 7.5 mΩ @ 30A, 10V2.20V
RFD3055 11.0A60V 107 mΩ @  8A, 5V3.00V
STP16NF06 16.0A60V 90 mΩ @  8A, 10V2.50V

Justement, lorsqu'il s'agit de MOSFET spécifiquement conçus pour piloter des charges de plusieurs ampères, voire de plusieurs dizaines d'ampères, on parle de MOSFET de puissance (power MOSFET). À titre indicatif, j'ai comparé dans le tableau ci-contre quelques MOSFET de puissance. Le choix des modèles est très subjectif, mais permet d'avoir une idée de la variaté qui existe en ce domaine.

De façon évidente, lors du choix d'un MOSFET de puissance, l'intensité maximale en continu (Id max. continu) et la tension de claquage (Vds max.) seront les carctéristiques primordiales à prendre ne compte, et à dimensionner en fnction de la charge à commander.

Mais ils ne faut pas négliger d'autres caractéristiques. Notamment la résistance de la liaison drain→source lorsque le transistor est passant (RDS(on)). Cette caractéristique, très variable d'un modèle à l'autre, conditionne directement la quantité d'énergie perdu par effet Joule dans le MOSFET lorsqu'il conduit. Et sous 10A, une différence de 100mΩ se traduit par ±10W…

Enfin, un point important est la tension nécessaire sur la grille pour rendre passant le transistor (Vgs(th)). Certains MOSFET nécessitent quatre ou cinq volts – parfois plus – pour devenir conducteurs, alors que d'autre se contentent d'un ou deux volts. Ce qui les rends compatibles avec les niveau logique des circuits numériques comme nous allons le détailler dans la section suivante.

Piège:

Outre leur capacité à commuter des charges importantes, et en plus des caractéristiques communes à tous les MOSFET, chez les MOSFET de puissance, par construction, la liaison source-drain forme une diode. Pour ne pas l'oublier, celle-ci est souvent figurée sur le symbole électrique du MOSFET. Elle a a pour conséquence importante qu'il est impossible de commuter un signal alternatif puisqu'à cause d'elle la liaison source→drain reste toujours passante dans ce sens.

MOSFET logic level

Quelques caractéristiques du RFD3055
Modèle RFD3055
Type n-channel power MOSFET logic level
RDS(on) Résistance drain-source (passant)0.107 Ω
ID(max) Courant de drain max. en continu11A
VDS(max) Tension max. entre le drain et la source60V
VGS(th) Tension de commutation grille-source1V∼3V
IGS(max) Courant de fuite max. entre la grille et la source±100nA

Leurs caractéristiques permettent d'envisager l'usage de MOSFET en électronique numérique pour piloter une charge. Idéalement, dans ces applications, la grille sera reliée à la broche de sortie d'un circuit logique ou d'un micro-contrôleur.

Les fabriquant produisent des MOSFET spécifiquement dédiés pour ces applications sous le nom de MOSFET logic level. Cela signifie que leur tension de commutation est compatible avec celle délivrée par les grandes familles de circuits logiques (+5V ou +3,3V). Il vaut toujours mieux vérifier dans la fiche technique (datasheet), mais généralement cela correspond à une tension de commutation située entre 1V et 3V.

À titre d'exemple, j'ai résumé dans le tableau ci-contre certaines des caractéristiques du MOSFET RFD3055. Comme vous le voyez, c'est un MOSFET de puissance (ID(max); VDS(max)) qui peut se commander à l'aide d'un circuit logique (VGS(th)). Comme tous les MOSFET, il a pour grande qualité de ne consommer qu'une intensité de courant très faible sur la grille (IGS(max)). Une qualité spécifique au RFD3055 cette fois-ci est sa faible résistance entre le drain et la source lorsqu'il est passant (RDS(on)). Cela signifie que les pertes par effet Joule dans le MOSFET seront réduite, même avec un courant important (autour de 1W pour 10A).

Comme vous le voyez, les MOSFET sont des composants attractifs, qui permettent, sur le principe, de piloter une charge juste avec un MOSFET et sans composants additionnels. Malheureusement, cela ne suffit pas…

Effet capacitif

MOSFET capacitive effect.png

Capacités parasites sur un MOSFET — Dans un MOSFET, la mince couche d'isolant qui sépare la grille du canal source-drain engendre un effet capacitif. Ces capacités parasites sont souvent indésirables et ont notamment pour effet de limiter la réponse en fréquence du transistor.

Jusqu'à présent, j'ai plutôt parlé des MOSFET idéaux. Mais comme souvent, la réalité est un peu moins rose que la théorie. En l’occurrence, je mentionnais un peu plus haut que la grille et la liaison drain-source sont séparées par un mince isolant. Cet isolant a pour effet de former un condensateur entre la grille et de drain (et un autre entre la grille et la source, d'ailleurs). Ces capacités parasites ont deux conséquences:

  1. La première est de limiter la réponse en fréquence des MOSFET. Je ne vais pas m'y attarder, ce je m'intéresse ici essentiellement à la commutation (et pas, par exemple, à de la modulation PWM).
  2. La seconde conséquence est que, lorsqu'un signal carrée apparait sur la grille, il provoque la charge et la décharge progressive du condensateur parasite. Dit plus simplement, lorsqu'un front apparait, le condensateur se comporte d'abord comme un conducteur puis son impédance augmente au cours de la charge pour devenir progressivement de plus en plus isolant. Le problème, c'est que lors de premiers instants de la charge du condensateur parasite, un courant (relativement) important est susceptible d'apparaitre au niveau de la grille du MOSFET. Peut-être trop important pour le circuit logique qui le pilote…

La solution ici consiste a rajouter une résistance (Rg) en série avec la grille. L'effet souhaité de cette résistance est de limiter le courant maximum qui va circuler sur ligne de la grille. Mais cette résistance a aussi un effet indésirable: en effet, en limitant le courant, elle limite la vitesse de charge du condensateur parasite. Et par conséquent la vitesse de commutation du MOSFET – dégradant encore sa réponse en fréquence. Le choix de la valeur exacte va donc être affaire de compromis. Dans la pratique, des valeurs de 100Ω et 1kΩ sont courantes.

Le retour de la vengeance de l'effet capacitif

Pour faire suite (un peu) à la section précédente, l'effet capacitif de la grille a pour autre conséquence que si l'entrée est flottante, le MOSFET tend à se souvenir de son état précédent tant que cette capacité parasite n'est pas totalement déchargée. Ainsi, la grille peut être flottante quand par exemple elle est reliée à un circuit logique à collecteur ouvert (ou simplement à un bête interrupteur). Dans la pratique, il est aussi possible que l'alimentation du circuit logique de commande et celle de la charge pilotée soient deux alimentations différentes. Or, que ce soit à cause d'un défaut ou simplement à cause du temps de mise en service des alimentations, il n'est certainement pas souhaitable que le MOSFET soit passant quand la charge est alimentée et pas le circuit de contrôle…

La solution ici va consister à ajouter une résistance de rappel (à la masse ou à Vdd selon les applications). Celle-ci non seulement permettra de mettre la grille à un potentiel connu lorsque l'entrée sera flottante. Mais elle servira aussi de résistance « de saignée » (bleeding resistor) pour (dé)charger au besoin les capacités parasites de la grille. Ici encore sa valeur sera un compromis, fonction de la valeur de la capacité parasite et des pertes de courant acceptables. Dans la pratique on peut partir sur une base entre 10kΩ à 100kΩ.

Exemple de montage

MOSFET circuit.png

Montage type pour un MOSFET de puissance commandé par un circuit logique — Ce montage incorpore tous les éléments pour piloter un MOSFET à l'aide d'un circuit logique:

  • une diode de roue libre pour protéger le transistor du pic d'intensité lors de la coupure d'une charge inductive;
  • une résistance en série avec la grille pour limiter le courant et protéger le circuit logique (au détriment de la vitesse de commutation);
  • une résistance de saignée qui sert en même temps de rappel à la masse, pour décharger la capacité parasite et mettre la grille à un potentiel connu en cas d'ouverture de la liaison de commande.

Après ces explications théoriques, passons à un montage type pour piloter une charge avec un MOSFET de puissance. Sur le circuit illustré ci-contre, je suis parti du principe que la charge est inductive (moteur, solénoïde, etc.) C'est finalement assez souvent le cas. Dans ces conditions, il est impératif de rajouter une diode de roue libre (free wheel diode ou flyback diode) pour éviter de claquer le délicat transistor lorsqu'il coupera le circuit. Le schéma suggère pour cela une classique 1N4004. Pour des applications plus exigeantes, une diode Schottky sera préférable.

Dans ce montage, le MOSFET est commandé par la ligne CMD – sans doute la sortie d'un circuit logique en 5V. Justement, pour protéger ce circuit en limitant le courant circulant sur cette ligne j'utilise une résistance de 1kΩ (ce qui me donne un courant théorique maximum de 5mA – au détriment de la vitesse de commutation). J'ai résumé dans le tableau ci-dessous quelques mesures obtenues en faisant varier la valeur de cette résistance de grille RG. Ces mesures ont été faites en reliant la grille du MOSFET à la sortie TTL d'un générateur basse fréquence fournissant un signal carré 0V∼5V à 100Hz. J'ai mis en surbrillance les caractéristiques correspondante à la résistance de 1kΩ utilisée sur le schéma.

RG sans 60Ω120Ω 1kΩ10kΩ
retard 0.15µs0.25µs0.30µs 1.1µs9.8µs
temps de montée 0.30µs0.28µs0.32µs 0.57µs4.4µs
IG(max) na 40ma28mA 5.6mA0.6mA

Pour terminer, une résistance de saignée (bleeding resistor) – qui sert accessoirement de pull-down – compète le circuit. Comme expliqué dans la section précédente, son rôle est à la fois de mettre la ligne à un potentiel connu et surtout de décharger la capacité parasite si elle se trouve déconnectée. Vous remarquerez que j'ai opté ici pour une résistance de 27kΩ – soit une perte de courant de 0,17mA quand le signal de commande est à 5V. On peut sans aucun doute augmenter la valeur de la résistance pour réduire encore ces pertes (1MΩ et au delà – mais dans ce cas, je vous suggère de tester consciencieusement votre circuit puisque le pull-down devient extrêmement faible). Vous pouvez aussi choisir de vous dispenser de cette résistance. Mais n'oubliez pas que sa présence est indispensable si la ligne entre le MOSFET et le circuit logique est susceptible d'être déconnectée, ou si les deux circuits fonctionnent avec des alimentations séparées.

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