Les transistors Mosfet de puissance

Les transistors MOSFET sont idéaux en électronique de puissance pour la commutation rapide et le fonctionnement linéaire. Les caractéristiques essentielles de ces transistors sont présentées ici.

Un des principaux avantages des transistors MOSFET de puissance, c'est qu'ils nécessitent peu de puissance pour leur commande (ils sont grosso modo commandés en tension). Les imperfections des MOSFET sont principalement de deux types :

- résistance résiduelle à l'état passant (pas 0 Ohm comme un vrai fil)

- temps de commutation et pertes lors de ces commutations. Plus la commutation est rapide, plus petite est la perte (dissipation pendant la transition de l'état passant à l'état bloqué ou inversement)

Il est essentiel de dimensionner correctement le transistor MOSFET et d'optimiser la commande de sa grille pour minimiser ces pertes.

Les transistors MOSFET de puissance sont très largement des transistors canal N (NMOS), même dans des structures symétriques d'alimentations à découpage et de commande de moteur (pont en H ou demi pont).

Pourquoi utiliser des transistors MOSFET canal N (transistor NMOS)

Le choix des composants doit s'adapter aux composants existants. Les performances des transistors MOS canal P (PMOS) sont réduites par rapport aux transistors canal N ("N channel" à ne jamais traduire par l'absurde et cocasse "N La Manche", comme on peut voir sur certains sites !). L'explication physique tient à la meilleure mobilité des électrons (dans un NMOS) par rapport à la mobilité des trous (dans un PMOS). En effet, le déplacement d'un trou (lacune d'électron) est en réalité un mouvement coopératif d'électrons.

Illustration avec le jeu du taquin : un trou se déplace bien moins facilement qu'une seule case

En pratique, on trouve plus facilement des transistors Mosfet canal N plutôt que des P. En revanche, cela peut nécessiter un circuit de commande approprié, mais de nombreuses solutions existent : translateur de niveau ("level shifter"), commande de demi-pont ("half bridge driver"), etc.

Principe de fonctionnement du transistor MOSFET

Un transistor MOSFET se commande en appliquant une tension positive à sa grille. Lorsque cette tension dépasse une certaine valeur, il devient passant (entre drain et source) et permet le passage du courant. Entre drain et source, le transistor se comporte quasiment comme un fil. Lorsque la tension de grille est nulle, le transistor est un interrupteur ouvert.

Les capacités parasites ralentissent la vitesse de commutation du transistor MOS (transition de l'état passant à l'état bloqué ou inversement).

L'échauffement d'un transistor MOS tient à 2 facteurs :

- pertes de conduction ("conduction loss") : le transistor présente toujours une petite résistance

- pertes de commutation ("switching loss") : lorsque le transistor change d'état, il passe par une phase résistive où il n'est plus bien passant et pas encore bloqué ou inversement.

Résistance Rdson du transistor MOSFET

Sur un MOSFET de puissance, lorsque la tension de grille dépasse 5 ou 6 Volts, le transistor est franchement passant entre drain et source, mais il reste une petite résistance résiduelle. Idéalement, cette résistance est nulle. Cette résistance est notée Rdson (résistance entre drain et source à l'état passant "on").

D'un transistor à l'autre, le Rdson peut varier énormément, du milliohm pour de gros transistors de puissance à plusieurs centaines d'Ohms pour les plus petits qui ne commutent que quelques milliampères.

Pour calculer la puissance dissipée P du transistor de puissance lorsqu'il est à l'état passant, il suffit d'appliquer la relation "RI²" comme pour une simple résistance :

P = Rdson.Id²

Rdson : résistance à l'état passant (voir documentation du fabricant)

Id : courant de drain

Exemple : on souhaite réaliser un ampli classe D de 200 Watts. Le transistor IRFB4620 correspond aux contraintes (200 V, 25 A ,60 mOhms). Quelle puissance dissipe le IRFB4620 à un courant de 12 A ?

P = 0,06 x 12² = 8,64 W

Influences sur le Rdson des MOSFET de puissance

La résistance à l'état passant (Rdson) n'est pas tout à fait une constante. De quoi dépend le Rdson ?

- Le courant Id

La tension Vds est quasi proportionnelle au courant Id qui traverse le transistor Mosfet. La résistance Rdson dépend très peu du courant. En pratique, elle augmente légèrement (+5 à +10%) lorsque le courant Id double.

- La température du transistor

La résistance Rdson augmente fortement avec la température du transistor. Plus il est chaud, plus sa résistance est élevée. Par exemple 25 °C à 125 °C, la résistance Rdson est multipliée par 2,1 environ.

Evolution du Rdson avec la température (ici le transistor IRF740)

La majorité des transistors MOSFET de puissance présentent cette caractéristique. Un transistor MOSFET proposé commercialement avec un Rdson de 1 Ohm aura fera en réalité 2,1 Ohms à 125°C de température interne de jonction. Cette courbe est appelée "Rds norm." et signifie Rds normalisé. C'est un facteur correctif ("derating") par rapport au Rdson à 25 °C.

Les pertes de conduction représentent l'échauffement du MOSFET lorsqu'il est traversé par un courant. Elles augmentent avec la température. Il faut être vigilant si les transistors de puissance peuvent être amenés à chauffer. Attention à la dissipation lorsque la température est déjà élevée !

En revanche, cette augmentation de Rdson avec la température est un avantage pour mettre des MOSFET en parallèle. Si par hasard, un transistor a tendance à chauffer un peu plus que ses voisins, sa résistance Rdson va augmenter et donc le courant qui le traverse va diminuer et se répartir davantage sur ses voisins. Pour que cela fonctionne, tous les transistors doivent être montés proches les uns des autres sur un radiateur commun pour avoir un bon couplage thermique.

Dans une même gamme de transistors, plus la tension Vds max est élevée, et plus le Rdson sera élevé : on ne peut pas avoir le beurre et l'argent du beurre. A voir sur chaque datasheet de fabricant.

Pour avoir un Rdson plus faible, il faut un plus gros transistor, donc plus cher, et avec des capacités parasites plus élevées, ce qui nécessite davantage de courant transitoire pour charger et décharger la capacité de grille.

Transistors MOSFET 500 V 20 A (IRFP460)

Diode intrinsèque parallèle dans le transistor

Il existe une diode en parallèle du transistor MOSFET. Cette diode se situe entre drain et source :

Diode intrinsèque dans un transistor MOSFET

Si un courant passe de la source vers le drain, il ne sera pas possible de le bloquer à cause de cette diode. Des montages avec une diode supplémentaire ou un second transistor seront nécessaires.

La diode intrinsèque du MOSFET est représentée par une diode zener. En effet, lorsque la tension Vds augmente (la grille n'étant pas commandée pour que le transistor soit bloqué : Vgs = 0 V), il arrive un point de claquage ("breakdown") où le transistor MOSFET entre en conduction par avalanche, comme une diode zener.

La plupart des transistors MOSFET de puissance ont une tension de claquage qui vaut environ 1,2 à 1,3 fois la tension Vds.

Exemple : un transistor MOSFET 100V va entrer en mode avalanche autour de 120 V à 130 V.

Il y a donc une certaine marge. Il se comporte comme une diode zener de 120 V ou 130 V, mais il faut être prudent avec de mode de fonctionnement en avalanche.

La diode intrinsèque peut s'avérer utile dans des structures comme le pont en H ou le demi-pont. Elle sert de diode de roue libre à l'autre transistor MOSFET du demi-pont. En revanche, cette diode intrinsèque au transistor est plutôt lente et peut poser des problèmes à haute fréquence (temps de recouvrement lors des commutations, émissions de hautes fréquences). Pour éliminer la conduction dans cette diode lente, on peut ajouter 2 diodes :

Diode intrinsèque masquée

Dans ce montage, le Rdson du MOSFET se retrouve en série avec une diode (celle de gauche), d'où une chute de tension et un échauffement supplémentaires. Là encore, on ne peut pas tout avoir...

Transistor bipolaire parasite dans le MOSFET

L'étagement des couches de silicium dopé fait qu'il y a un transistor bipolaire parasite dans le MOSFET. Ce transistor parasite bipolaire ne doit jamais entrer en conduction. Si ce transistor venait à entrer en conduction et saturer, le MOSFET ne pourrait plus se bloquer à moins de couper le courant de drain de façon externe. Ceci rappelle le principe du thyristor.

La base du transistor bipolaire parasite est reliée à la source et n'est pas laissée flottante dans la construction des MOSFET. Sinon, la tension de claquage (le Vds max) serait très réduit pour un même Rdson. Il reste néanmoins possible que des variations de tension extrêmement rapides à la coupure (dv/dt important) créent cette conduction parasite. En pratique, la valeur du dv / dt est une limite des transistors MOSFET de puissance.

Il y a un risque que le transistor bipolaire parasite entre en conduction lorsque la diode intrinsèque conduit et se coupe avec un dv/dt extrêmement élevé.

Vitesse de commutation et température

Les transistors MOSFET de puissance ne sont pas affectés par la température pour la vitesse de commutation ("switching speed").

Tension de seuil et température

La tension de seuil d'un transistor MOSFET est la tension grille-source nécessaire pour le faire entrer en conduction. Cette tension est notée Vgsth (th = threshold = seuil).

La tension de seuil d'un MOSFET est d'environ 3 V à 5 V. Elle diminue un peu avec la température, mais pas autant qu'un transistor bipolaire.

Les conditions de test définissent la tension Vds, la température ou le courant Id qui marque le début de la conduction. Souvent, Id est fixé à 0,1 mA ou 0,25 mA.

La tension appliquée entre grille et source ne doit pas dépasser une certaine limite. Souvent, c'est +/-20 V ou +/-30 V. La tension peut être négative sans que cela ne casse le transistor.

Courant de drain Id maximum et température

Comme la partie active (silicium) d'un transistor ne peut pas dépasser un certain seuil (150 °C), plus le transistor est porté à haute température, moins il tolère de courant. A l'extrême limite, s'il est déjà à 150 °C "sans rien faire" (dans un four ) 150 °C par exemple), il ne peut pas s'échauffer davantage et donc ne peut laisser passer aucun courant.

Allure du courant de drain en fonction de la témpérature

Les performances du transistors se dégradent à mesure qu'on s'approche des 150 °C.

Exemple : un transistor MOSFET (le 20N60C3 de Infineon) supporte un courant maximal de :

20,7 A à 25 °C (température de boitier)

13,1 A à 100 °C

Extrait du datasheet du transistor 20N60C3 (Infineon)

Cette limitation est due à la température maximale autorisée de la puce (150 °C). La résistance thermique (en °C/W) étant une constante, on vérifie bien pour le 20N60C3 que Id diminue de telle façon que Id² (proportionnel à l'effet Joule, donc à l'élévation de température) est proportionnel à l'écart de température autorisé :

A 25 °C : échauffement autorisé : 150 - 25 = 125 °C

Id² = 20.7² = 428

A 100°C : échauffement autorisé : 150 - 100 = 50 °C

Et Id² = 13.1² = 172

Il y a bien proportionnalité entre 172 et 428 d'une part, et 50 et 125 d'autre part (172 / 428 = 50 / 125 = 0,40).

L'échauffement autorisé à 100°C (+50 °C) vaut 40 % de l'échauffement autorisé à 25 °C (+125 °C), et le courant autorisé est tel que l'effet Joule soit de 40 % à 100 °C. On s'y retrouve.

On pourrait donc dire qu'à 150°C, Id max = 0 ! Le transistor ne peut pas s'échauffer d'un seul degré supplémentaire sous peine de griller ! Si la température maximum est de 150 °C, à 151 °C, plus rien n'est garanti.

En pratique, le claquage du transistor MOSFET de puissance se produit entre 200 °C et 300 °C, mais rien ne le garantit.

Courant de drain crête Idm

Il est possible de dépasser très brièvement le courant de drain Id autorisé, à condition que cela ne dure pas et que le transistor puisse "se reposer" après. Quelques contraintes limitent le courant de drain maximum instantané :

- il faut que la tension Vgs soit suffisante pour garantir que le transistor MOSFET reste bien passant et soit dans sa région ohmique (en mode (Rdson). Si le point de fonctionnement dépasse le "coude", le transistor se comporte en limiteur de courant (limite fixée par Vgs). Dans ce cas, toute augmentation de courant se traduira par une élévation très importante de Vds, ce qui entrainera une perte de conduction (effet Joule) très élevée et une destruction possible du transistor MOSFET.

Datasheet du transistor Mosfet 20N60C3

Ce transistor est donné pour 20,7 A continus à Tc = 25 °C. De façon instantané, il n'est pas possible d'avoir plus que 58 A si Vgs est de 7 V seulement. La tension de grille doit être plus élevée pour que le transistor puisse faire passer tout ce courant.

En fait, l'essentiel est que la puce ne dépasse pas la température maximale. Un temps où le courant est plus faible est nécessaire pour que le transistor puisse refroidir (reprendre son souffle, si on peut dire !). Il s'agit de l'impédance thermique transitoire, autre courbe figurant dans les datasheets.

Température de stockage des transistors MOSFET

La température de stockage des transistors MOSFET est de 150 °C ("storage temperature"). La température de la jonction interne ne doit jamais dépasser 150 °C en fonctionnement.

Energie d'avalanche des transistors

Si une surtension apparaît aux bornes d'un transistor MOSFET de puissance (oscillations amorties dues à l'inductance de fuite dans une alimentation à découpage par exemple), cette surtension peut atteindre une valeur telle qu'une entrée en conduction s'amorce.

Un transistor MOSFET de 100 V entrera en avalanche (comme une diode zener) autour de 120 V ou 130 V par exemple.

L'énergie d'avalanche Eas que peut absorber un transistor MOSFET est donnée par le fabricant.

Exemple de l'alimentation à découpage

La surtension qui apparaît aux bornes du MOSFET (Vds) doit être écrêtée (donc absorbée et dissipée) par le transistor. Cette énergie doit être inférieure à l'énergie d'avalanche Eas. En pratique, cette énergie vient de l'inductance de fuite du transfo. D'autres conceptions, pour les plus grandes puissances, utilisent des composants pour limiter les surtensions (snubber) et éviter au transistor de subir une énergie d'avalanche à chaque cycle de découpage.

Si des transistors MOSFET sont montés en parallèle, il est peu probable qu'ils aient la même tension de claquage. L'un d'entre eux va entrer en mode avalanche avant les autres et devra encaisser la totalité de l'énergie à absorber. De la même façon qu'en mettant une zener de 12 V en parallèle avec une zener de 13 V, on constatera que la zener de 13 V n'est jamais traversée par du courant.

Energie d'avalanche répétitive

Cette notion, pour les transistors MOSFET de puissance est devenue un standard des documentations. On la note Ear. En réalité, cela ne signifie pas grand chose et dépend largement du refroidissement dont bénéficie le transistor. De plus, il est difficile de prédire quelle sera l'énergie d'avalanche à absorber. Là encore, c'est finalement l'échauffement du transistor qui est le facteur limitant.

Courant d'avalanche des transistors

Certains transistors sont spécifiés en courant d'avalanche. C'est une donnée subtile qui traduit les performances du transistor poussé à ses limites.

Les caractéristiques dynamiques des transistors MOSFET définissent ses performances lors des commutation de l'état "on" à l'état "off".

Capacités parasites dans un transistor MOSFET

Il y a 3 capacités parasites dans un transistor MOSFET :

Capacités parasites d'un transistor MOSFET

Schéma équivalent des 3 capacités du transistor

Ces capacités sont liées à la structure du transistor MOSFET lui-même. Les capacités Cgs et Cgd varient avec la tension à leur bornes à cause de la déplétion dans le matériau. La capacité Cgd peut varier d'un facteur 100 avec la tension drain-grille.

La capacité Cgd (grille-drain) est la plus critique. Lorsque la tension du drain varie très vite (valeur élevée du dv/dt), il peut arriver que le MOSFET commute à cause du courant transitoire dans cette capacité. Cgd doit être la plus petite possible. Cgs et Cgd forment un pont diviseur capacitif.

Capacité d'entrée

La capacité d'entrée, notée Ciss, d'un transistor MOSFET est la capacité mesurée entre grille et source, le drain étant connecté à la source.

Ciss = Cgs + Cgd

La capacité d'entrée doit être chargée jusqu'à la tension de seuil (2 V à 5 V selon les transistors). Lorsque la tension de seuil est atteinte, la tension Vds va chuter considérablement (le MOSFET est en train de devenir passant), ce qui tend à faire chuter la tension de grille (à travers Cgd). Lorsqu'on continue à injecter du courant dans la grille, la tension Vgs va rester constante jusqu'à ce que Vds soit devenu faible (état passant ohmique). Ce plateau de tension est le plateau Miller. Au delà, la tension de grille continue à augmenter comme un simple condensateur qui se charge. Le plateau Miller constitue un supplément de charges à fournir à la commande pour commuter le transistor d'un état à l'autre. On retrouve ce plateau Miller dans les caractéristiques de charge totale ("Qg" totale) nécessaire pour commuter le transistor :

Plateau Miller : transition de l'état "on" à l'état "off"

Capacité de sortie

La capacité de sortie, notée Coss, d'un transistor MOSFET est la capacité mesurée entre drain et source, la grille étant connectée à la source.

Coss = Cds + Cgd

Cette capacité peut avoir un effet négatif sur les circuits (résonance entre inductance et capacité de sortie).

Capacité Miller

Il s'agit de la capacité Cgd. C'est un paramètre essentiel pour la vitesse de commutation (durée du plateau Miller).

Charge de la grille du transistor Mosfet

Pour piloter un transistor MOSFET de puissance, il faut charger et décharger sa grille. Pour se rendre compte de l'effort à fournir pour le circuit de commande, la charge contenue dans la grille Qg est une valeur pertinente. Cette charge Qg englobe tous les effets de toutes les capacités.

La charge totale Qg augmente un peu avec la tension Vds, mais pas avec la température. Plus le transistor est gros (Vds et Id max élevés), plus sa charge de grille sera élevée.

Il n'est pas rare de trouver des circuits intégrés spécifiques pour piloter les transistors MOSFET de puissance qui peuvent délivrer des courants crête de 2A ou même plus.

Applications des transistors Mosfet en mode linéaire

En dehors de la commutation rapide, Les transistors MOSFET de puissance peuvent aussi être utilisés en mode linéaire, sans commutation : amplis audio, ampli HF, charges actives, alimentations linéaires. Dans ces applications, les vitesses de commutation n'ont pas vraiment d'importance puisque leur fonctionnement se situe toujours entre l'état bloqué et l'état ohmique complètement passant.

Conclusion sur les transistors MOSFET

Les transistors MOSFET de puissance s'utilisent largement dans l'électronique de puissance. Leur principe de fonctionnement permet une application assez simple, mais la compréhension des paramètres électriques permet d'améliorer les pertes qui se traduisent par de l'échauffement : pertes par conduction en régime ohmique continu et pertes par commutation lors des changements d'état du transistor MOSFET.

Transistors MOSFET et diode de puissance dans une alimentation à découpage