Il MOSFET come interruttore: soglia, regioni di funzionamento e Rds(on)

Come funziona un MOSFET a canale N ad arricchimento

Un MOSFET ha tre terminali: gate, drain e source. Il gate è isolato dal silicio da un sottile strato di ossido, quindi a regime non assorbe praticamente corrente; deve solo caricare e scaricare la propria capacità. In un dispositivo a canale N ad arricchimento il substrato è di tipo p e source e drain sono di tipo n. Senza tensione di gate non può circolare corrente, perché le due regioni n sono separate da una regione p.

Una tensione positiva sul gate attira elettroni sulla superficie sotto l'ossido. Sopra la tensione di soglia V_th, se ne raccolgono abbastanza da formare un canale di tipo n che collega source e drain, e può circolare una corrente I_D quando V_DS è positiva. Quanto più alta è V_GS − V_th, detta tensione di overdrive, tanto più forte è il canale e tanto maggiore è la corrente. Per questo si chiama dispositivo ad arricchimento: il canale viene creato, o arricchito, dalla tensione di gate, e senza di essa il transistor è spento.

Regioni di interdizione, lineare e di saturazione

Sia V_ov = V_GS − V_th. Il comportamento si divide in tre regioni.

• Interdizione, V_GS ≤ V_th: nessun canale, I_D ≈ 0. L'interruttore è aperto.
• Regione lineare (ohmica), V_GS > V_th e V_DS < V_ov: il canale arriva fino al drain e si comporta come una resistenza controllata in tensione.
• Saturazione, V_GS > V_th e V_DS ≥ V_ov: il canale si strozza vicino all'estremità del drain e la corrente è fissata dal gate, non da V_DS.

Il modello a legge quadratica dà la corrente di drain con un fattore di conduzione k (in A/V²):

Lineare: I_D = k × (V_ov × V_DS − V_DS² / 2)

Saturazione: I_D = ½ × k × V_ov²

Le due si incontrano a V_DS = V_ov. La transconduttanza, g_m = dI_D / dV_GS, vale k × V_ov in saturazione e k × V_DS in regione lineare. I datasheet reali usano un fattore analogo, ma la legge quadratica è un'approssimazione, in particolare nei MOSFET di potenza ad alta corrente.

Usare il MOSFET come interruttore: Rds(on)

Per V_DS piccola l'equazione lineare si riduce a una retta passante per l'origine, I_D ≈ k × V_ov × V_DS. Il percorso drain-source si comporta come una resistenza

R_DS(on) ≈ 1 / (k × V_ov)

quindi un pilotaggio di gate più forte (una V_ov maggiore) ne abbassa il valore. I datasheet riportano R_DS(on) a una tensione di gate indicata, da milliohm per i componenti di potenza ad alcuni ohm per quelli di piccolo segnale. La potenza persa nello stato acceso è la perdita di conduzione:

P = I_D² × R_DS(on)

In saturazione la dissipazione è P = I_D × V_DS con una V_DS grande, che è molto più alta. Un MOSFET usato come interruttore va quindi pilotato in modo che passi rapidamente dall'interdizione alla regione lineare profonda. Un MOSFET può anche essere fatto lavorare di proposito in saturazione come amplificatore o regolatore lineare, ma allora richiede un dissipatore.

Un MOSFET logic-level ha una soglia bassa (circa 1–2,5 V) e un R_DS(on) specificato a V_GS = 4,5 V o anche 2,5 V, così può essere pilotato direttamente da un microcontrollore a 3,3 V o 5 V. Un MOSFET standard richiede 10 V al gate per raggiungere l'R_DS(on) dichiarato, e si usa un driver di gate.

Commutazione lato basso e carichi induttivi

La disposizione comune per un MOSFET a canale N è l'interruttore lato basso: il carico sta tra l'alimentazione positiva e il drain, e il source è collegato a massa. Il gate è pilotato rispetto a massa, il che è facile da un'uscita logica. Una resistenza di pull-down da 10 kΩ a 100 kΩ dal gate a massa tiene il dispositivo spento finché il pin del microcontrollore è ancora flottante. Una piccola resistenza in serie al gate limita la corrente di carica e smorza le oscillazioni.

Relè, solenoidi, motori e altri carichi induttivi richiedono cautela in più. Quando il MOSFET si spegne, la corrente dell'induttore non può fermarsi istantaneamente, quindi la tensione ai capi della bobina si inverte e la tensione di drain ha un picco molto superiore all'alimentazione, che può distruggere il transistor. Un diodo di ricircolo (flyback) collegato ai capi del carico, con il catodo verso l'alimentazione positiva, offre un percorso alla corrente e limita il picco. Molti MOSFET di potenza contengono anche un diodo di body tra source e drain, ma non protegge da un picco induttivo sul drain di un interruttore lato basso, quindi serve un diodo esterno.

Un esempio svolto

Un solenoide da 12 V e 5 A è comandato da un MOSFET logic-level con R_DS(on) = 0,05 Ω a V_GS = 5 V.

1. Stato acceso: V_DS = 5 × 0,05 = 0,25 V, quindi il carico riceve 11,75 V. 2. Perdita di conduzione: P = I² × R = 25 × 0,05 = 1,25 W. È modesta: un contenitore TO-220 in aria libera di solito può dissipare circa tanto, anche se si scalda. 3. Stato spento: I_D ≈ 0, quindi la dissipazione è quasi nulla.

Ora si supponga che un pilotaggio di gate debole lasci il transistor solo parzialmente acceso, così che ai suoi capi cadano 6 V mentre scorrono gli stessi 5 A. Allora P = 5 × 6 = 30 W. Questo surriscalderebbe il componente in pochi secondi. La lezione è che, quando il transistor è usato come interruttore, la tensione di gate conta quanto la corrente nominale.

Le perdite di commutazione si sommano a questa: ogni transizione attraversa per un breve tempo la regione di alta dissipazione, quindi la potenza media aumenta con la frequenza di commutazione, ed è per questo che i driver puntano a fronti rapidi.

Come il simulatore modella il MOSFET

Il simulatore del MOSFET a canale N di Curvo Studio usa il modello a legge quadratica a canale lungo descritto sopra, con corrente di gate assunta nulla. Le tre regioni sono decise da V_GS, V_th e V_DS, la corrente di drain è data dall'equazione lineare o di saturazione, ed è limitata a una corrente di drain massima che imposti tu. La lettura Dissipazione di potenza è I_D × V_DS, e la lettura Transconduttanza è k × V_ov in saturazione e k × V_DS in regione lineare.

Attenzione a ciò che nel modello non c'è. Nel circuito non ci sono resistenza di carico, alimentazione né driver di gate: V_GS e V_DS sono impostate direttamente, quindi non c'è retta di carico. Non ci sono un parametro R_DS(on), un diodo di body, un diodo di ricircolo, capacità né transitori di commutazione. R_DS(on) si può ricavare dividendo V_DS per I_D in regione lineare.

Il dispositivo predefinito ha V_th = 2 V, un fattore di conduzione di 1,2 A/V² e una corrente di drain massima di 20 A. A V_GS = 4 V e V_DS = 6 V è in saturazione con I_D = ½ × 1,2 × 2² = 2,4 A, e dissipa 14,4 W.

Provalo nel simulatore del MOSFET

Apri il simulatore del MOSFET a canale N e prova quanto segue.

• Imposta la Tensione gate-source sotto la Tensione di soglia, per esempio 1,5 V con la soglia predefinita di 2 V. La Regione operativa indica Tagliare e la Scaricare corrente è 0.
• Torna a V_GS = 4 V, V_DS = 6 V. La Regione operativa indica Saturazione, I_D = 2,4 A e la Dissipazione di potenza è 14,4 W.
• Ora abbassa la Tensione drain-source a 1 V. La regione diventa Lineare, I_D = 1,8 A e la dissipazione è 1,8 W.
• Porta V_GS a 10 V e V_DS a 0,5 V. I_D sale a circa 4,65 A, e V_DS / I_D è circa 0,11 Ω, vicino a 1 / (k × V_ov) = 0,10 Ω dalla formula. La dissipazione è solo circa 2,3 W per una corrente quasi doppia, che è il punto di un interruttore.
• Cambia il Fattore di conduzione e la Tensione di soglia (entrambi sono valori di targa) per vedere come un dispositivo diverso sposta le curve.

Il grafico Caratteristiche di uscita · ID–VDS (I_D in funzione di V_DS con V_GS di 2, 3, 4, 5, 6 e 8 V) mostra la regione lineare crescente e il plateau di saturazione, e il grafico Caratteristica di trasferimento · ID–VGS (I_D in funzione di V_GS) mostra la legge quadratica sopra la soglia. La sezione 3D mostra il canale che si forma e, in saturazione, si restringe verso il drain (pinch-off).

Provalo nel simulatore