I mosfet...., ...vita,morte e (quasi) miracoli

Un po’ di tempo fa è stato richiesto un approfondimento sui transistor MOSFET analogo a quello dei transistor BJT già trattato in passato.
Come nel caso del 3d sui bjt anche in quello dei mosfet la trattazione sarà più pratica che teorica, per cercare innanzi tutto di non spaventare nessuno, poi per fare in modo di utilizzare questi componenti prima che ci si stufi della teoria.

I MOSFET sono transistor dotati di 3 (o più raramente 4) terminali: source, drain e gate (o doppio gate nel caso dei modelli a 4 terminali) e possono essere a canale N (i più diffusi) o a canale P.
I canale N richiedono una tensione gate-source positiva (gate + e source -) e il drain è a una tensione più positiva del source.
I canale P richiedono invece una tensione gate-source negativa (gate - e source +) e il drain è a una tensione più negativa del source.

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. Se questo circuito non è adeguatola carica/scarica sarà lenta con problemi di vario tipo che descriverò più avanti.

Altra caratteristica dei mosfet è la tensione di soglia che è sostanzialmente la tensione gate-source minima necessaria per provocare la corretta chiusura (condizioni di bassa resistenza) del mosfet. Al disotto di questo valore, espresso in volt, il mosfet resta spento oppure, peggio ancora, in una condizione intermedia (zona attiva), che lo porta ad avere una tensione drain-source dell’ordine dei volt o anche superiore e una corrente drain-source elevata.
In queste condizioni la potenza dissipata dal mosfet, data dalla formula Pd=Vds * Ids, può raggiungere anche i watt o le decine di watt, provocando un surriscaldamento del componente.
I parametri principali del mosfet sono la tensione Vds massima (massima tensione applicabile fra drain e source), Ids massima (massima corrente pilotabile fra drain e source), la Rdson (resistenza fra drain e source quando il mosfet è completamente acceso), la tensione di soglia (che nei data sheet è chiamata Gate to Threshold Voltage e che indica la tensione gate-source minima per attivare completamente il mosfet) e capacità d’ingresso (capacità fra gate e source).
I mosfet vengono normalmente usati come interruttori, anche se esistono applicazioni analogiche che li impiegano con ottimi risultati. Ecco alcuni esempi di applicazioni analogiche dei mosfet:

Amplificatori audio, in cui le caratteristiche dei mosfet, simili a quelle delle valvole, li rendono indicati per la bassa distorsione armonica.

Amplificatori RF: i mosfet sono caratterizzati spesso da elevate velocità di commutazione, anche nei modelli più comuni ed economici, quindi sono in diversi casi preferibili ai bjt in amplificatori in classe C di frequenze fino a qualche decina o centinaia di MHz.

Amplificatori per strumentazione e applicazioni medicali: grazie all’elevata impedenza (resistenza) d’ingresso dei mosfet è possibile realizzare amplificatori per segnali la cui sorgente ha impedenze d’uscita elevate (es.segnali provenienti da cuore, muscoli, cervello ecc.). Esistono anche amplificatori operazionali con ingresso a mosfet.

Fra le applicazioni on/off dei mosfet sono compresi parecchi dispositivi, come alimentatori switching, regolatori pwm per motori in corrente continua, inverter per motori in corrente alternata, convertitori AC-DC, DC-DC, DC-AC (es.gruppi di continuità per PC o inverter per impianti fotovoltaici).
Il successo così elevato dei mosfet in applicazioni di commutazione (impieghi on/off) deriva dalla bassa potenza richiesta per il pilotaggio a parità di potenza commutata, alla loro velocità e dalla bassa caduta di tensione che si viene a creare fra drain e source quando il mosfet è chiuso (fase on). Quest’ultimo parametro è dipendente dalla bassa Rdson che è dell’ordine dei decimi di ohm nei modelli più economici e dei centesimi di ohm in quelli più potenti.
Facendo un esempio numerico è possibile confrontare un bjt come il BDX53C (transistor NPN darlington) con un MOSFET IRF520.
Entrambi hanno una tensione massima di lavoro di 100V, una corrente pilotabile simile (9,2A per l’IRF520 e 8A per il BDX53C).
Dal data sheet si nota che il BDX53C con una corrente collettore-emettitore di 7A ha una caduta di tensione, fra collettore ed emettitore (VCEsat) di circa 2,8V.
L’IRF520 ha una Rdson di circa 0,27ohm indipendente, in linea teorica, dalla corrente che lo attraversa da drain a source, ma che, aumentando all’aumentare della temperatura, finisce per dipendere anch’essa dalla corrente che provoca il riscaldamento del mosfet.
Per semplificare i calcoli consideriamo comunque un mosfet abbondantemente raffreddato che pertanto risente poco dell’autoriscaldamento causato dalla corrente drain-source.

Consideriamo di pilotare un carico che assorbe 7A.

La potenza dissipata dal BDX53C sarà: Pd=VCEsat * Ic = 2,8 * 7 = 19,6W
La potenza dissipata dall’IRF520 sarà: Pd=Rdson * Id * Id = 0,27 * 7 * 7 = 13,2W

Da questo esempio si nota che il mosfet dissipa circa un 30% in meno del bjt.

Occorre inoltre notare che il mosfet dell’esempio ha una caduta di tensione ai suoi capi più bassa di quella introdotta dal bjt: Vdson = Rdson * Id = 1,9V contro i 2,8V del bjt, quindi al carico giungerà una tensione superiore nel caso del mosfet. Questo è un vantaggio in molti casi, dato che i 0,9V persi in più a causa dell’utilizzo di un bjt riduce l’efficienza del sistema.

Per ottenere delle buone prestazioni dai mosfet occorre prestare particolare attenzione al circuito che pilota il gate.
Innanzi tutto bisogna che la tensione gate-source sia sempre superiore alla minima tensione di soglia per la corrente richiesta.
L’IRF520 ad esempio può pilotare un carico di 1A con una tensione gate-source (Vgs) di 5V.
Se il carico richiede una corrente di 5A la Vgs deve essere almeno di 6V.
Cosa succede se la Vgs è inferiore a quella minima?
Succede che il mosfet non avrà più una Rds di 0,27ohm che è quella minima garantita dal costruttore, ma sarà superiore. Questa condizione di funzionamento è chiamata “zona attiva” ed è quella usata nei circuiti con mosfet operanti in modo analogico.
In queste condizioni la potenza dissipata sarà superiore rispetto a quella ideale.
Tornando all’esempio precedente e immaginando che la Rdson sia di 2,7 ohm anziché 0,27 ohm si avrebbe che il mosfet dissiperebbe la seguente potenza: Pd=Rdson * Id * Id = 2,7 * 7 * 7 = 132,3W che l’IRF520 non è in grado di dissipare finendo per guastarsi.

Il secondo parametro da rispettare è importante nelle applicazioni in cui il mosfet viene acceso/spento molte volte al secondo.
In questo caso occorre che il circuito che fornisce gli impulsi al gate sia in grado di caricare/scaricare la capacità d’ingresso del mosfet in un tempo molto rapido. Facendo riferimento alla figura contenuta in wikipedia si avrà che il segnale sul gate, che teoricamente dovrebbe essere uguale a quello in blu, se il circuito di pilotaggio è inadeguato diventerà più o meno simile a quella in rosso.
Questa condizione porta che durante la commutazione la tensione di gate sale e scende lentamente, quindi per una parte non trascurabile dell’impulso di pilotaggio il gate riceve una tensione inferiore a quella di soglia, che lo porta a lavorare in zona attiva con una Rds superiore a quella di “mosfet on”.
E’ chiaro che tanto più frequenti saranno le commutazioni richieste al mosfet e tanto più il mosfet stesso si surriscalderà a parità di altre condizioni.

Per il momento ho terminato la mia trattazione. Sono a disposizione per eventuali domande o chiarimenti su quello che ho scritto.
Ogni suggerimento o aiuto nell’approfondimento è ovviamente ben accetto.

Edited by robo67 - 18/8/2008, 11:52

Molto interessante questa tua trattazione sui mosfet... mi serviva proprio anche perchè io uso molto spesso i mosfet nei miei circuiti e per questo volevo farti delle domande visto che sei del mestiere . Cosa vuol dire "gfs min. S", "tf ns" e "tr ns"? Come si fa a vedere bene se un mosfet è veloce (magari confrontandolo con un altro)? Quali parametri bisogna vedere?

Siccome poi devo anche usare questo mosfet (IXFN80N50):


Questo modulo di potenza mosfet ha 4 poli (G, D, S, S)... ma quelle linguette ai suoi lati con i buchi per il fissaggio ad un supporto sono per caso collegate anche loro a qualche polo del mosfet (anche se io penso di no perchè sul datasheet sarebbe dovuto uscire)? E poi perchè quel mosfet ha un doppio source? Quel mosfet poi è dotato di un diodo inverso SOT227B (collegato tra il Drain e il Source)... ma questo diodo serve come protezione giusto? Per caso protegge il mosfet anche contro i picchi di extratensione generati da induttanze?

Dunque Gfs è il fattore di amplificazione del mosfet e indica quanto è sensibile il gate alla tensione applicata ed è pèer certi aspetti equivalente all'hfe dei bjt. Essendo una transconduttanza ovvero un rapporto fra una corrente (quella di drain Id) e una tensione (quella di gate Vgs) tanto più è alta e tanto più il mosfet amplifica.

tf e tn indicano invece i tempi di commutazione rispettivamente sulla salita della tensione Vds e sulla discesa e danno idea della velocità del mosfet. I tempi sono dell'ordine delle decine di nsec.
Questo valore è spesso poco importante nelle applicazioni on/off se si considera che molto spesso i mosfet vengono pilotati con frequenze inferiori ai 100-200KHz quindi un ritardo inferiore ai 100nsec è quasi sempre ininfluente sul risultato finale.
tf e tr sono però molto importanti per dimensionare adeguatamente il circuito di pilotaggio del mosfet quando si ha a che fare con circuiti in cui il carico viene pilotato con una coppia o 2 coppie di mosfet (rispettivamente configurazioni a semi ponte/half bridge o a ponte intero/full bridge). In queste applicazioni ogni coppia di mosfet chiude alternativamente il carico verso il positivo e il negativo dell'alimentazione.
Se non si presta attenzione ai parametri tf e tr si avrebbe che per un periodo breve ma comunque non trascurabile entrambi i mosfet sarebbero in conduzione, dato che mentre il primo si sta spegnendo il secondo è già acceso e viceversa. Praticamente tf e tr indicano per quanto tempo il circuito di pilotaggio deve aspettare da quando toglie il comando di accensione dal primo mosfet a quando forinisce l'accensione al secondo.
Se non viene rispettato questo tempo di intersezione (detto dead time) si avrebbe nella migliore delle ipotesi un consumo istantaneo di corrente molto elevato, causato dal fatto che i 2 mosfet che chiudono uno al positivo e l'altro al negativo cortocircuitano appunto il positivo col negativo per il tempo necessario a spegnere il mosfet prima acceso. Nella peggiore delle ipotesi ciò può portare alla distruzione di uno o entrambi i mosfet.
tf e tn devono quindi essere il più possibile bassi per fare in modo che il mosfet segua il segnale di comando sul gate senza introdurre ritardi eccessivi.

Eventuali approfondimenti li puoi trovare in questo testo della
International Rectifier

Per quello che riguarda il mosfet IXFN80N50 se tu guardi nella pagina 2 di questo data sheet vedrai che sull'aletta di fissaggio è collegato uno dei terminali (come spesso accade nei semiconduttori). In particolare il terminale in questione è il drain, quindi attenzione ad isolare il mosfet dall'aletta.
Il fatto che abbia un doppio source lo vedi dallo schema a pagina 1 del data-sheet.
I 2 source sono collegati internamente insieme e servono per ripartire le correnti, dato che 80A non sono uno scherzo e un unico terminale potrebbe creare surriscaldamenti nel contatto o internamente al componente.


Esatto il diodo fast interno ha proprio quell'utilizzo. Se il carico è puramente resistivo il diodo non serve a nulla, ma se è resistivo/induttivo o puramente induttivo nel momento dello spegnimento del mosfet si crea sul carico (e quindi sul mosfet) una sovratensione che se supera la Vds max danneggia il mosfet stesso. Dato che l'extratensione ha polarità inversa a quella applicata al carico durante la fase di on, il diodo fast entra in conduzione durante la fase di off, cortocircuitando questa energia residua verso il resto del circuito e salvaguardando il mosfet.

In erba nel senso che se la fumano?

Te ma vedi un po'... adesso noi poveri sperimentatori in erba siamo pure visti come dei drogati ... su una cosa però robo ha ragione... io ormai sono diventato dipendente dalla sperimentazione e se non faccio qualche diavoleria mi vengono le crisi .

Comunque grazie per la lezione sui mosfet... mi sarà molto utile.

In tal senso siamo tutti dei drogati, altrimenti non si capirebbe per quale motivo stiamo a perdere tempo e ci intestardiamo su determinate cose invece di comprarle già fatte che sono spesso meglio sia dal punto di vista estetico che da quello economico.

Per quello che riguarda i mosfet sono a disposizione per eventuali domande. La mia è stata una prima spolverata in attesa che qualcuno faccia qualcosa di pratico e prosegua il discorso

Domanda.. io ho un circuito dove carico e scarico un condensatore 4,7uF a 150v, di picco la corrente arriva a 5A (la carica è controllata) e poi lo scarico sempre con corrente controllata dallo stesso capo dove l'ho caricato quindi un capo del condensatore rimane sempre a massa però tramite un Mosfet IRF640.
Quindi la corrente prima passa dal drain e va al source del IRF640 e nel momento in cui scarico il condensatore dal source al drain.....
Ora mi succede questo, se tengo sempre in ON il mosfet, a volte, nel momento che scarico il condensatore si brucia l'IRF640 mentre se io dopo che ho caricato il condensatore apro il mosfet verso massa e scarico il condensatore non si brucia mai..
Spero di essere stato chiaro nel spiegare il circuito..

Ricapitoliamo il circuito,così vediamo se ho capito.

Tu hai un circuito che fornisce una corrente positiva con limitazione a 5A col quale carichi un condensatore alimentadone il polo positivo.
Il polo negativo del condensatore viene invece collegato al negativo dell'alimentazione tramite un IRF640.

Se il mosfet resta sempre on, e quindi se il condensatore ha il polo negativo chiuso al negativo dell'alimentazione tramite il mosfet, quest'ultimo, scaricando il condensatore talvolta si guasta.
E' giusta la mia descrizione?

Se è giusta ho una domanda:
la scarica del condensatore come viene effettuata? Su quale componente si scarica?

Siamo sicuri che la corrente di scarica istantanea non superi, anche solo per un istante, quella massima sopportabile dal mosfet?

Il mosfet con cosa lo piloti? Quale tensione applichi sul gate?

Ciao, si hai ricapitolato bene.
Allora la corrente di scarica del condensatore viene fatta sempre con un IRF640 con in serie una resistenza da 20ohm.
Entrambi i mosfet intendo quello che è collegato alla massa e quello che scarica il mosfet sono pilotati da HCPL0314 che è un opto isolatore.
e la tensione è di 11,5v

Quello che non mi spiego è che se tengo aperto il mosfet, lato negativo condensatore e lo faccio lavorare, cioè lo tengo aperto nel momento che scarico il condensatore questo non salti, ma salti solo se lo tengo sempre acceso.

A breve farò alcune misure sul gate del mosfet che tiene il condensatore a massa per vedere che non ci siano cadute di tensione
se così fosse.. e il mosfet si aprisse nel momento che sta passando la corrente di scarica del condensatore cosa potrebbe succedere?

Ho pensato anche al discorso della corrente elevata nel momento della scarica, ma perchè allora non si brucia quando è aperto
forse perchè il diodo interno tiene di più della giunzione drain/source?

In base a quello che hai scritto il circuito dovrebbe funzionare senza problemi.
Sono comunque convinto che ci sia qualcosa che dalla descrizione a parole non salta fuori che crea problemi, magari durante la commutazione.
Riusciresti per caso a postare lo schema della parte di circuito carica/scarica e uscita degli opto-isolatori?
Non vorrei che ci fossero ad esempio dei problemi legati a qualche resistenza mancante che non permette al mos di commutare con decisione, rischiando di guastarlo.

Ciao
ecco una parte del circuito


una cosa che non avevo detto è che come vedi nello schema è che Q1 che è il mio mosfet collegato al polo negativo del condensatore a sua volta va a massa tramite un IRF644, e che nel momento in cui io attivo Q2 per scaricare il condensatore Q4 è attivo cioè conduce verso massa
Q3 è la parte del circuito che carica il condensatore
Stavo pensando, che corrente istantanea può passare per il mosfet con un condesatore saturo a 150v mi rifaccio alla tua domanda

Siamo sicuri che la corrente di scarica istantanea non superi, anche solo per un istante, quella massima sopportabile dal mosfet?

Come si può calcolare questa corrente? quello che mi aveva fatto non pensare al problema corrente era che gli altri mosfet non ne risentivano, Q2 e Q4..

Q3 e Q4 sono all'interno di un circuito esterno alla mia scheda



Ho modificato il codice in modo da far comparire l'immagine!

Edited by Lawrence - 13/10/2008, 15:21

Beh, in base alla legge di Ohm nella peggiore delle ipotesi, ovvero che il condensatore mantenga per un tempo illimitato la tensione di carica di 150V (cosa che non accade perchè scaricandosi la tensione scende velocemente), si avrebbe che la corrente che passa attraverso Q1,Q4 e Q2 è di 150V/20ohm=7,5A sufficienti a non distruggere Q1 (se la corrente fosse troppo alta dovrebbero comunque distruggersi qualche volta Q4 o Q2 che sono sottoposti alla stessa corrente di scarica).

Mi insospettisce invece il pilotaggio di Q1. Se Q4 è perfettamente chiuso il source di Q1 si trova a GND e quindi il pilotaggio sul gate è di 12V o poco meno.
Se Q4, per un qualsiasi motivo (es. sottopilotaggio oppure ritardi nella commutazione on/off o viceversa), ritarda per un istante la chiusura, il source di Q1 si verrebbe a trovare ad una tensione decisamente più alta di quella presente sul gate (che varia da 0 a 12V, contro il source che si verrebbe a trovare a 150V con Q4 aperto) e dato che la tensione massima Vgs è di +/- 20V Q1 rischia di rompersi.

Soluzioni?

Bisognerebbe che il pin 5 di OK1 fosse collegato non a GND, ma al source di Q1 (cosa fattibile) e che il pin 8 fosse a +12V rispetto al pin 5 (un po' più complicato, dato che questi 12V non dovrebbero avere la massa in comune con le altre alimentazioni).
Ma Q4 è strettamente necessario? Dato che è in serie con Q1 non si potrebbe eliminare e fare in modo che i comando di attivazione di Q1 arrivi solo quando si presentano contemporaneamente l'attuale comando di Q1 e il segnale di attivazione di Q4?

A parte tutti i calcoli elettronici, io non mi spiego proprio perchè mettere un mos verso massa, a che serve?!?!? Tutta energia sprecata nella rson, e mos messo in croce per nulla.