Alcuni appunti sull' uso dei MOSFET

Il Foglio Dati (Data Sheet) e i parametri principali

Come tutti i componenti elettronici, anche i MOSFET dispongono di un foglio dati del costruttore che riporta le caratteristiche principali di cui va tenuto conto nella scelta e nell' uso.

Prendiamo ad esempio il foglio dati del MOSFET IRLI540NPbF di IR. Questo è l' incipit:

Oltre alla sigla precisa e ad uno schema del componente, vengono evidenziati i dati di tensione, corrente e resistenza massimi e vengono elencate le caratteristiche salienti.
Così possiamo rilevare immediatamente che si tratta di un MOSFET a canale N, Logic Level, in package isolato, capace di trattare al massimo 100V e 23 A, con una resistenza minima di 44 milli ohm.

Però, questi dati numerici di massima, sono quelli detti Absolute Maximum Ratings, ovvero valori massimi assoluti, che troviamo in una successiva tabella più dettagliata .

Non dovrebbe essere necessario ricordare che gli Absolute Maximum Ratings sono, appunto, valori massimi in assoluto, che non vanno superati per alcuna ragione, neppure per tempi di nanosecondi.

In particolare, la potenza che il dispositivo può trattare NON è data dal prodotto della corrente massima per la tensione massima, ma è limitata da numerosi altri fattori.

Vediamo in dettaglio alcuni parametrici significativi:

ll parametro I_D indica la massima corrente che può attraversare il circuito drain-source. Solitamente è dichiarata in relazione ad una certa tensione di comando sul gate, ad esempio 10V, e ad una certa temperatura. Nella tabella in esempio sono riportati due valori di I_D a tensione di gate di 10V e diversa temperatura del case (maggiore temperatura, minore corrente).
Associato, si trova un altro parametro, I_DM, che indica la massima corrente di un impulso; questo valore può essere di gran lunga maggiore del precedente, ma è relativo ad un tempo di conduzione dell' ordine dei micro secondi, ad esempio 10us o meno.
Il parametro V_DS determina la tensione massima applicabile tra drain e source. Viene solitamente dichiarata per una certa gamma di temperatura della giunzione, al di fuori della quale il valore della tensione applicabile diminuirà.
Superare questa tensione anche per impulsi di pochi ns può distruggere il componente.
Selezionate il MOSFET per una tensione molto più ampia di quella che dovrà commutare, tenendo presente che se si ha che fare con alimentazioni non stabilizzate o con carichi induttivi, il pericolo di sovra tensioni è reale; se necessario inserire componenti per la loro soppressione (zener, varistori, reti R/C).
P_d è la massima potenza dissipabile. Si ricorda che il valore è dato per una temperatura del case di 25°C. A questo riguardo occorre consultare i diagrammi successivi, relativi alla SOA (maximum Safe Operating Area), alle relazioni tra corrente di drain e temperatura, ecc.
Il parametro V_GS indica a massima tensione applicabile al gate; è un fattore critico, che non deve essere superato, anche per pochi istanti) o il MOSFET viene distrutto. Verificare che il segnale di pilotaggio del gate è esente da picchi di tensione stretti che potrebbero superare la tensione massima ammissibile di gate. Se occorre, fornire una protezione di qualche tipo, come ad esempio uno zener.
Il valore tipico è 20V, ma ci sono modelli che hanno un limite a 12V e altri a 30 o più; è quendi necessario verificare il foglio dati.

E, più avanti, una ulteriore tabella relativa alle caratteristiche elettriche. Da osservare che viene specificato "Electrical Characteristics @ Tj= 25°C (unless otherwise specified)", ovvero Caratteristiche elettriche alla temperatura di giunzione di 25°C, se non diversamente specificato. Questo vuol dire che i dati forniti, se non diversamente indicato, sono relativi alla sola condizione della giunzione alla temperatura di 25°C, condizione del tutto teorica in quanto basta che la temperatura ambiente sia di 30°C, come capita in estate, per rendere necessaria una correzione,in genere peggiorativa, di questi valori.

R_DS(ON) è la resistenza minima che il MOSFET assume nello stato di conduzione completa. Può variare da qualche ohm a pochi milli ohm a seconda del modello. Questa resistenza varia in funzione della tensione sul gate e della temperatura della giunzione.
Una bassa R_DS(ON) minimizza la perdita di energia in calore e le dimensioni del sistema di dissipazione.
Il parametro V_GSth indica la tensione necessaria da applicare al gate per far condurre il MOSFET.
Solitamente è maggiore di 4V e per una completa conduzione occorrono 8-10V.
Se occorre pilotare direttamente il MOSFET da una logica a bassa tensione, come un microcontroller, occorre utilizzare un modello che si definito Logic Level, la cui tensione di gate per la conduzione è minore di 4V. Se non è disponibile uno di questi, bisognerà inserire tra microcontroller e gate un driver adeguato.

Ci sono poi numerosi altri parametri relativi all' impiego sia statico che dinamico del componente.

Importanti per il calcolo relativo alla temperatura sono:

la resistenza termica tra giunzione e case
la massima temperatura alla giunzione e
il derating.

Per quanto riguarda il funzionamento in commutazione, si possono citare:

Q_GD - Carica gate-drain - Questa è la quantità di energia deve essere immessa nel gate per accendere il MOSFET. Più è alto questo valore, più energia sarà necessaria; questo comporta maggiori correnti o tempi per la commutazione. Esistono MOSFET dichiarati Low Charge che hanno una bassa capacità di gate e quindi richiedono energia limitata. E' inversamente proporzionale a R_DS(ON) e nella scelta del componente può essere necessario un bilanciamento dei due parametri.

t_d(on) - Tempo di accensione - Questo è il tempo tra l' applicazione della tensione al gate è l' accensione del MOSFET.

t_r - Tempo di salita - E' il tempo che impiega il dispositivo per passare dallo stato OFF a quello di ON.

t_d(off) - Turn-off Time - E' il tempo necessario per lo spegnimento dopo la tensione di comando viene rimossa dal gate.

Questi parametri diventano importanti in applicazioni switching (SPS, controllo in PWM di motori, ponti H e semi-ponti, carichi induttivi, UPS, ecc.).

Alcune brevi considerazioni.

Prestare attenzione al fatto che i MOSFET in contenitore dotato di pad metallico (ad esempio TO-220, TO-247, D-PACK, ecc) hanno solitamente questo collegato al drain.

Quindi, se necessario, occorre un isolamento nel montaggio su un dissipatore in comune con altri semiconduttori.

Esistono anche modelli in contenitore isolato (ad esempio, il TO-220 Fullpack di IR).

I MOSFET a canale N hanno una minore resistenza R_DS(ON) rispetto ai MOSFET a canale P.

Va osservato che, in generale, i MOSFET previsti per sopportare V_DS elevate hanno R_DS(ON) maggiore di quelli previsti per l'uso a tensioni basse.

Una bassa R_DS(ON) minimizza la perdita di energia in calore (P = I² * R_DS) e le dimensioni del sistema di dissipazione.

I MOSFET Enhanced , quando in conduzione, consentono il passaggio della corrente drain-source in entrambe le direzioni con una R_DS sostanzialmente identica. Quando sono spenti, bloccano la corrente in una sola direzione. In alcune condizioni di carico commutato (ad esempio in PWM) possono richiedere l' aggiunta in serie di un diodo Schottky per ottenere un funzionamento sicuro.

I MOSFET Enhanced, per ragioni dipendenti dalla tecnologia costruttiva, integrano un diodo (body diode) tra drain e source.
Questo diodo, entro un campo limitato, può proteggere il MOSFET, ad esempio allo spegnimento, ma per una reale protezione è opportuno ricorre a componenti esterni.

A causa della loro alta impedenza di gate, i MOSFET sono vulnerabili ai danni da scariche elettrostatiche.

Il MOSFET richiede solo la corrente per caricare il condensatore di gate, ma questo impulso, per quanto breve, può essere molto intenso (molte decine o centinaia di mA) e richiede alla logica di comando la possibilità di generarlo senza abbassare troppo la tensione V_gs.

I MOSFET possono operare a frequenze alte e il gate ha una impedenza relativamente alta, il che può portare a problemi di stabilità, come oscillazioni a frequenze molto elevate (MHz) a causa delle induttanze e capacità nel circuito di pilotaggio. Ideale è l' impiego di circuiti di comando del gate con la minima impedenza.

A lato, un possibile modello degli elementi tipici e parassitari del gate e del transistor dei quali va tenuto conto nelle applicazioni switch mode.

Può anche essere opportuno inserire tra la logica di controllo e il gate un piccolo resistore in serie, con lo scopo di eliminare queste possibili oscillazioni. Valori tra 10 e 50 ohm sono adeguati per la maggior parte delle situazioni. Inoltre limita la corrente di carica e scarica del condensatore di gate. Però rallenta anche la velocità alla quale il MOSFET si accende e si spegne, proprio perchè limita la corrente al gate. Per contro, un rallentamento del tempo di on e off è utile allo scopo di ridurre le armoniche (rumore a frequenza elevata, disturbo elettromagnetico) in una commutazione su carichi induttivi.
Se si utilizzano MOSFET con grosse capacità di gate, le correnti di scarica/carica possono essere elevate e danneggiare la porta di pilotaggio del gate; la resistenza in serie è un compromesso tra velocità e protezione. In questi caso si può salire a valori tra 100 ohm e 10K
Dato che i MOSFET sono sensibili ai danni causati da scariche elettrostatiche, una resistenza elevata in serie al gate elevata può essere una protezione.

Se ci sono problemi di pilotaggio diretto dalla logica, come nel caso di frequenze elevate o con carichi pesanti o induttivi o in ambienti dove è richiesta la massima affidabilità, l' unica soluzione è quella di inserire un gate driver che porta l'uscita logica ad un livello di tensione adeguato, con la possibilità di fornire i brevi impulsi ad alta corrente necessari alla carica/scarica del gate.
Il più semplice gate driver consiste in una coppia complementare di transistor, ma è disponibile una ampia scelta di integrati specifici.

Se è possibile che il gate del MOSFET si trovi in situazione di floating, è utile un pull down tra gate e source (22k-1M).

I MOSFET possono essere posti in parallelo per aumentare la capacità di corrente e ridurre la resistenza termica. Va però considerato che sono in parallelo anche le capacità e le correnti di gate e un comando diretto dal pin del microcontroller potrebbe essere impossibile senza usare un driver intermedio.

Un comando insufficiente sul gate può danneggiare il MOSFET in quanto lo porta in accensione, ma non alla minima resistenza e quindi si genera una elevata perdita in calore. Se passa una corrente nella R_DS che ha un valore più elevato di quella considerata nel calcolo del sistema di dissipazione del calore, il MOSFET può essere distrutto dalla temperatura eccessiva.
Correnti di sovraccarico di breve durata possono essere assorbite dal MOSFET, ma possono essere origine di danni progressivi. I fogli dati citano le correnti massime di picco che sono considerate per tempi di micro secondi. Questo va correttamente considerato per carichi il cui valore di corrente può variare in ambiti ampi; ad esempio, le lampade ad incandescenza possono assorbire all' accensione correnti anche venti volte quelle di funzionamento.
Anche circuiti in cui si può determinare risonanza (L/C, R/C) possono provocare situazioni di extra corrente rispetto ai valori nominali del carico.

Altro problema normalmente poco considerato è che il passaggio dallo stato di off a quello di on non è immediato, ma richiede un certo tempo (tempo di commutazione), durante il quale la R_DS si abbassa gradualmente di valore. Così pure durante il passaggio da on a off, la R_DS aumenta dal valore minimo al massimo. Se nessuna energia viene dissipata in stato di off e poca viene dissipata durante la conduzione con R_DS minima, durante le commutazioni viene dissipata una rilevante energia. Pertanto è auspicabile passare tra gli stati più velocemente possibile per minimizzare la dissipazione di potenza durante la commutazione. Poiché il gate appare come una capacità, sono richiesti notevoli impulsi di corrente per caricare e scaricare il gate in tempi rapidi. In queste condizioni, occorre sicuramente un gate driver, dato che le correnti di picco, anche se per nano secondi, possono essere dell' ordine dell' ampere.
Per contro, va ricordato che una riduzione del tempo di commutazione ha effetto sui carichi induttivi, con una forte generazione di rumore elettromagnetico; quanto minore è il tempo di commutazione, tanto maggiore sarà l' effetto anche su induttanze "trascurate" come piste dei circuiti stampati, cavi di collegamento, ecc.
Una riduzione delle perdite di commutazione può avvenire utilizzando una più bassa frequenza di commutazione; in questo caso i tempi di commutazione diventano una parte minoritaria del ciclo e un giusto equilibrio dei parametri permetterà al MOSFET di dissipare il calore in eccesso nelle fasi di off.

Considerare sempre che circuiti in cui sono portate, o peggio, commutate, decine di ampere devono essere realizzati in modo adeguato, anche solo per quello che riguarda le sezioni dei conduttori e la loro disposizione; anche i sistemi di alimentazioni dovranno essere adeguati, dato che i picchi di corrente possono causare cadute di tensione e transitori violenti sulle linee di alimentazione. Questo, a parte i noti problemi dovuti alle induttanze del carico, ma anche a quelle parassitarie del circuito, che possono interferire con la logica di controllo.

Per realizzare condizioni di sicurezza minime, è indispensabile un disaccoppiamento tra microcontroller e carico, ad esempio con opto isolatori, oltre ad una realizzazione curata che separi bene i circuiti di ingresso e di uscita del microcontroller.

Sono disponibili componenti specifici che consentono di ridurre al minimo i componenti sul circuito stampato (a lato lo schema dell' isolatore ottico- MOSFET drive da 2.5A modello VO3120 di Vishay)

Link utili

Quanto detto sopra è essenzialmente una semplificazione. Chi volesse approfondire l' argomento, può trovare in rete numerosi testi. Ecco alcuni link:

Power MOSFET Basics da Vishay
Understanding Power MOSFETs da Fairchild
Understanding MOSFET Data da Supertex
Understanding power MOSFET data sheet parameters da NXP
IXYS Power MOSFET Datasheet Parameters Definition da IXYS
The Do’s and Don’ts of Using MOS-Gated Transistors da IR
Gate Drive Characteristics and Requirements da IR
PARALLELING POWER MOSFETs da IR
Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBTs da IR
Thermal Stability of MOSFETs da OnSemi
Gate Resistor Design Guidelines da Fairchild
Bipolar transistors for MOSFET gate driving applications da Zetex
Logic level VGS ratings for NXP power MOSFETs da NXP