Dans ce tutoriel, nous allons en apprendre davantage sur le fonctionnement d’un MOSFET en tant que commutateur. Dans le tutoriel MOSFET, nous avons vu les bases d’un MOSFET, ses types, sa structure et quelques applications de MOSFET.
Une des applications importantes du MOSFET dans le domaine de l’électronique de puissance est qu’il peut être configuré comme un simple commutateur analogique. À l’aide de tels commutateurs analogiques, les systèmes numériques peuvent contrôler le flux de signaux dans les circuits analogiques.
Avant d’entrer dans les détails de la façon dont un MOSFET agit comme un commutateur, laissez-moi vous présenter un récapitulatif des bases d’un MOSFET, de ses régions de fonctionnement, de sa structure interne, etc.
Pour plus d’informations sur les MOSFET, lisez « Tutoriel MOSFET ».
Contour
Introduction au MOSFET
Un Transistor à effet de champ à Semi-conducteur MOSFET ou à Oxyde Métallique, contrairement à un Transistor à jonction Bipolaire (BJT), est un Dispositif unipolaire en ce sens qu’il n’utilise que les porteuses majoritaires dans la conduction.
C’est un type de transistor à effet de champ avec une grille isolée du canal (par conséquent, parfois appelée FET à grille isolée ou IGFET) et la tension à la borne de la grille détermine la conductivité.
En parlant de bornes, un MOSFET est généralement un dispositif à 3 bornes, qui sont la Porte (G), la Source (S) et le Drain (D) (même s’il existe une 4ème borne appelée Substrat ou Corps, il n’est généralement pas utilisé en connexion d’entrée ou de sortie).
Symbole MOSFET
Le MOSFET peut être classé en type d’amélioration MOSFET et en type d’épuisement MOSFET. Chacun de ces types est en outre divisé en MOSFET à canal n et MOSFET à canal p.
Les symboles de chacun de ces types de MOSFET sont affichés dans l’image ci-dessous.
La principale différence entre le mode d’amélioration MOSFET et le Mode d’épuisement MOSFET est qu’en mode d’épuisement, le canal est déjà formé, c’est-à-dire qu’il agit comme un commutateur Normalement fermé (NC) et en cas de mode d’amélioration, le canal n’est pas formé initialement, c’est-à-dire un commutateur Normalement ouvert (NO).
Structure du MOSFET
La structure d’un MOSFET varie en fonction de l’application, c’est-à-dire que les MOSFET en technologie IC sont assez latéraux tandis que la structure des MOSFET de puissance est plus un canal vertical. Quelle que soit l’application, un MOSFET a essentiellement trois bornes à savoir la Porte, le Drain et la Source.
Si l’on considère un MOSFET à canal n, la Source et le Drain sont tous deux constitués de type n qui reposent dans un substrat de type p.
Fonctionnement d’un MOSFET
Essayons maintenant de comprendre comment fonctionne un MOSFET en mode d’amélioration à n canaux. Afin de transporter un courant de drain, il doit y avoir un canal entre les régions de drain et de source du MOSFET.
Un canal est créé lorsque la tension entre les bornes de grille et de source VGS est supérieure à la tension de seuil VTH.
Lorsque VGS >VTH, le dispositif est dit dans une région de triode (ou de résistance constante) ou une région de saturation en fonction de la tension aux bornes de drain et de source VDS.
Pour tout VGS, si VDS <VGS–VTH, alors le périphérique est dans la région de triode (également appelée résistance constante ou région linéaire). Si VDS >VGS–VTH, le périphérique entre dans la région de saturation.
Lorsque VGS <VTH, alors le périphérique est à l’état éteint. Le courant de grille dans les deux régions de fonctionnement est très inférieur (presque égal à zéro). Par conséquent, le MOSFET est connu sous le nom de dispositif piloté par tension.
Courbe des caractéristiques du MOSFET
L’image ci-dessous montre la courbe caractéristique du MOSFET dans trois régions de fonctionnement. Il représente le Courant de Drain ID par rapport à la Tension de Drain à Source VDS pour une Tension de Grille à Source VGS donnée.
Régions de fonctionnement du MOSFET
Sur la base du fonctionnement d’un MOSFET mentionné ci-dessus, on peut conclure qu’un MOSFET a trois régions de fonctionnement. Ils sont :
- Région de coupure
- Région linéaire (ou triode)
- Région de saturation
Un MOSFET fonctionne dans la région de coupure lorsque VGS <VTH. Dans cette région, le MOSFET est à l’état ÉTEINT car il n’y a pas de canal induit entre drain et source.
Pour que le canal soit induit et que le MOSFET fonctionne dans une région linéaire ou de saturation, VGS >VTH.
La tension de polarisation Grille–Drain VGD déterminera si le MOSFET est en zone linéaire ou en zone de saturation. Dans ces deux régions, le MOSFET est à l’état PASSANT mais la différence est en région linéaire, le canal est continu et le courant de drain est proportionnel à la résistance du canal.
En arrivant dans la région de saturation, lorsque VDS >VGS–VTH, le canal se pince, c’est-à-dire s’élargit, ce qui donne un courant de drain constant.
Commutation en électronique
La commutation par semi-conducteur dans un circuit électronique est l’un des aspects importants. Un dispositif à semi-conducteur comme un BJT ou un MOSFET fonctionne généralement comme des interrupteurs, c’est-à-dire qu’ils sont soit à l’état PASSANT, soit à l’état BLOQUÉ.
Caractéristiques du commutateur idéal
Pour qu’un dispositif semi-conducteur comme un MOSFET agisse comme un commutateur idéal, il doit avoir les caractéristiques suivantes:
- Pendant l’état ALLUMÉ, il ne doit pas y avoir de limite sur la quantité de courant qu’il peut transporter.
- À l’état ÉTEINT, il ne devrait pas y avoir de limite sur la tension de blocage.
- Lorsque l’appareil est à l’état ALLUMÉ, il devrait y avoir une chute de tension nulle.
- La résistance à l’état DÉSACTIVÉ doit être infinie.
- La vitesse de fonctionnement de l’appareil n’a pas de limites.
Caractéristiques de commutateur pratiques
Mais le monde n’est pas idéal et il s’applique même à nos commutateurs à semi-conducteurs. Dans une situation pratique, un dispositif semi-conducteur tel qu’un MOSFET présente les caractéristiques suivantes.
- Pendant l’état ON, les capacités de gestion de la puissance sont limitées, c’est-à-dire courant de conduction limité. La tension de blocage pendant l’état d’ARRÊT est également limitée.
- Temps finis d’allumage et d’extinction qui limitent la vitesse de commutation. La fréquence de fonctionnement maximale est également limitée.
- Lorsque l’appareil est ALLUMÉ, il y aura une résistance à l’état fini entraînant une chute de tension directe. Il y aura également une résistance à l’état fermé finie qui se traduira par un courant de fuite inverse.
- Un commutateur pratique subit des pertes de puissance pendant l’état on, l’état off et également pendant l’état de transition (on à off ou off à on).
Fonctionnement d’un MOSFET en tant que commutateur
Si vous avez compris le fonctionnement du MOSFET et ses régions de fonctionnement, vous auriez probablement deviné comment un MOSFET fonctionne en tant que commutateur. Nous comprendrons le fonctionnement d’un MOSFET comme un commutateur en considérant un simple exemple de circuit.
Il s’agit d’un circuit simple où un MOSFET en mode d’amélioration à canal n allume ou ÉTEINT une lumière. Afin de faire fonctionner un MOSFET en tant qu’interrupteur, il doit être utilisé dans une région de coupure et linéaire (ou triode).
Supposons que l’appareil est initialement ÉTEINT. La tension aux bornes de la Grille et de la Source, c’est-à-dire VGS, est rendue positive de manière appropriée (techniquement parlant, VGS > VTH), le MOSFET entre dans une région linéaire et l’interrupteur est ALLUMÉ. Cela rend la lumière allumée.
Si la tension de grille d’entrée est 0V (ou techniquement <VTH), le MOSFET entre dans l’état de coupure et s’éteint. Cela fera en sorte que la lumière s’éteindra.
Exemple de MOSFET en tant que Commutateur
Considérons une situation où vous souhaitez contrôler numériquement une LED 12W (12V @ 1A) à l’aide d’un microcontrôleur. Lorsque vous appuyez sur un bouton connecté au microcontrôleur, la LED doit s’allumer. Lorsque vous appuyez à nouveau sur le même bouton, la LED doit s’éteindre.
Il est évident que vous ne pouvez pas contrôler directement la LED à l’aide du microcontrôleur. Vous avez besoin d’un appareil qui comble l’écart entre le microcontrôleur et la LED.
Cet appareil doit capter un signal de commande du microcontrôleur (généralement la tension de ce signal est dans la plage de tension de fonctionnement du microcontrôleur, 5V par exemple) et alimenter la LED, qui dans ce cas provient d’une alimentation 12V.
L’appareil que je vais utiliser est un MOSFET. La configuration du scénario mentionné ci-dessus est indiquée dans le circuit suivant.
Lorsqu’une logique 1 (en supposant un microcontrôleur 5V, la logique 1 vaut 5V et la logique 0 vaut 0V) est fournie à la porte du MOSFET, elle s’allume et permet au courant de drain de circuler. En conséquence, la LED est allumée.
De même, lorsqu’un 0 Logique est donné à la grille du MOSFET, il s’éteint et éteint à son tour la LED.
Ainsi, vous pouvez contrôler numériquement un périphérique haute puissance avec la combinaison d’un microcontrôleur et d’un MOSFET.
Remarque importante
Un facteur important à considérer est la dissipation de puissance du MOSFET. Considérons un MOSFET avec une résistance de Drain à Source de 0,1 Ω. Dans le cas ci-dessus, c’est-à-dire qu’une LED 12W entraînée par une alimentation 12V conduira à un courant de drain de 1A.
Par conséquent, la puissance dissipée par le MOSFET est P = I2 * R = 1 * 0.1 = 0.1W.
Cela semble être une valeur faible mais si vous conduisez un moteur utilisant le même MOSFET, la situation est légèrement différente. Le courant de démarrage (également appelé courant de pointe) d’un moteur sera très élevé.
Ainsi, même avec un RDS de 0,1 Ω, la puissance dissipée lors du démarrage d’un moteur restera significativement élevée, ce qui peut entraîner une surcharge thermique. Par conséquent, RDS sera un paramètre clé pour sélectionner un MOSFET pour votre application.
De plus, lors de l’entraînement d’un moteur, la CEM arrière est un facteur important qui doit être pris en compte lors de la conception du circuit.
L’un des principaux avantages de l’entraînement d’un moteur avec MOSFET est qu’un signal PWM d’entrée peut être utilisé pour contrôler en douceur la vitesse du moteur.