MOSFET

Teoria ed applicazione di base

In questa sezione affronteremo lo studio e vedremo l'utilizzo pratico di questi componenti che negli ultimi anni si sono sempre più affermati grazie alla facilità con cui possono gestire elevate potenze benché pilotati  con segnali di piccola entità anche direttamente prelevati delle uscite digitali dei microcontrollori.

L'ottimo rapporto potenza/dimensioni e potenza/prezzo fanno del MOSFET il componente ideale per un numero elevatissimo di applicazioni, specialmente per quanto concerne il pilotaggio di carichi in continua ad esempio motori D.C. a spazzole o grossi solenoidi.

Nell'immagine sovrastante vediamo il MOSFET IRFP064, prodotto dalla  "INTERNATIONAL RECTIFIER". Le sue caratteristiche di classe "media" per questo tipo di dispositivi lo rende utile per quasi ogni applicazione. Come possiamo vedere questo specifico modello ha l'housing (contenitore) di tipo TO-247, con cui e' inseribile nei PCB quando lo cerchiamo nelle librerie dei CAD, ma possiamo trovare MOSFET in TO220 o addirittura in TO92. Ovviamente gestiranno una potenza specifica di ogni caso.

download databook IRFP064

Dal simbolo elettrico notiamo che i terminali cambiano nome rispetto agli elementi bigiunzionali, questi infatti sono:

Tanto per fare un paragone con un componente BJT di tipo NPN, rispetto al MOSFET  a canale N, vale la corrispondenza  Gate->Base, Drain->Collettore, Surce->Emettitore.

L'attraversamento del canale DS da parte della corrente elettronica avviene incontrando una unica tipologia di drogaggio del canale stesso, quindi il componente fa parte della famiglia così detta unipolare.

Dato che esistono due tipi di polarità per il canale conduttivo (N oppure P) e che tale canale può risultare già formato e il controllo avviene in strozzamento (pinch), oppure il canale risulta strozzato ed il controllo avviene in arricchimento (enhacement), si può dire che esistono quattro configurazioni del dispositivo e non due come e' noto per i componenti bipolari BJT.

Al contrario dei componenti bipolari il mosfet si pilota in tensione e non in corrente, questo pero non significa che non entri mai corrente nel terminale di pilotaggio.

una corrente impulsiva si instaura nel terminale di controllo quando il mosfet venga pilotato con tensioni impulsive periodiche o non periodiche.

Si tratta quindi di dover analizzare una situazione transitoria, a volte ripetuta in funzione della frequenza di comando che in sostanza rispecchia la costante di tempo che va formandosi tra la capacità esistente tra il substrato e il canale conduttivo (che funge da dielettrico quando la tensione alle armature e' pari a zero e la tensione di test e' quella indicata al databook).

il valore ohmico della costante in questione va' ricercato nel complesso della maglia di gate che a volte risulta evidente perché unica resistenza, altre volte ottenuta da sintesi di serie paralleli.

quando invece il mosfet si trovi pilotato con un segnale a gradino unitario, se trascuriamo la fase transitoria possiamo dire che non vi e' corrente al gate ed il dispositivo sia pilotato puramente in tensione.

 In sostanza alla dissipazione energetica del dispositivo prende parte non solo la corrente di attraversamento del canale che incontra la resistenza del medesimo, nel caso della saturazione RDS on (del mosfet indicato pari a circa 9 milli ohm), secondo la formula:

 Pd= (RDSon * Ids^2)*t

Ma anche la dissipazione termica dovuta alla corrente di carica/scarica della capacità della maglia di controllo.

Citazione da un forum robo87:

Il gate è il terminale di comando del mosfet: variando la tensione presente fra gate e source si modifica la corrente che scorre fra drain e source.
Al contrario dei bjt il mosfet viene pilotato in tensione; questo porta al fatto che il gate sottoposto ad una tensione fissa non assorbe corrente.
Questa caratteristica del mosfet è data dal fatto che fra il gate e il resto del componente (parte di silicio in cui sono ricavati il drain e il source), è presente uno strato isolante di ossido di silicio che isola elettricamente il gate da source e drain.
Il nome MOSFET nasce proprio da questa caratteristica (Metal Oxide Semiconductor FET ovvero FET con Metallo e ossido di semiconduttore)
Praticamente fra gate e source si viene a formare un condensatore in cui un terminale (armatura) è collegato al metallo del gate, il secondo terminale/armatura è invece collegato alla parte di silicio su cui sono presenti source e drain. Il dielettrico è invece lo strato isolante di ossido di silicio che separa le 2 armature.
In base a questi dati risulta chiaro come mai sul gate, con tensione costante, non circola corrente: come un vero e proprio condensatore il gate, inizialmente scarico, viene prima attraversato da corrente, poi, quando si è caricato, la corrente non circola più.
Se il mosfet viene invece pilotato tramite una tensione di gate impulsiva si avrà una condizione di carica->scarica->carica->ecc. del condensatore gate/source, con una conseguente corrente di gate non nulla dipendente dalla frequenza usata e dalla capacità gate-source. Il valore della corrente è legata a quella della reattanza capacitiva ovvero dalla “resistenza” introdotta dal condensatore, il cui valore è calcolabile con la formula Xc=1/(2*pigreco*f*C), dove f è la frequenza in Hz del segnale impulsivo e C il valore in Farad della capacità gate-source.
Questo fatto è importante quando si progetta un circuito che utilizza i mosfet, perchè la parte di circuito che pilota il gate deve essere sufficientemente potente da poter fornire la corrente richiesta al gate/condensatore per caricarsi o scaricarsi.

Fine citazione

Leggendo attentamente il datasheet irfp460 si evince che la capacita Ciss imput capacitance
In test condition Vds 25V, f 1Mhz, Vgs 0V è di 2980 pf
Che la Vgs max è di +/- 30V con una Igss max di 100nA
Dunque facciamo un po’ di blandi calcoli
Poniamo il caso che pilotiamo il ns mosfet con f di 22khz e Vgs max di 30V sostituiamo alla formula: Xc=1/(2*pigreco*f*C)
Xc=1/(2*pigreco*22khz*2980pf)
**la capacità deve essere in farad quindi pico 10^-12 **
Xc= 2400 ohm circa


Fatto questo V/R=I => 30V/2400ohm= 0,0125A

Quindi in condizioni test con valori massimi la corrente max assorbita dal gate sarà di 12,5 mA
 

quando piloti in frequenza bisogna fare il distinguo tra bassa frequenza (ed è il caso del progetto in questione) e alta frequenza e quindi bisogna eseguire altri calcoli:

Dalla caratteristica in figura del datasheet si trova, in corrispondenza della VGS e VDS una

QG=x

A questo punto, noto anche il tempo totale di transizione (tt=td(on)+tr) si calcola la


corrente di gate: Ig = Qg/tt =1.13A

però questri calcoli li fai solo quando progetti uno switching o amplificatori in classe D

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