I MOSFET sono componenti a semiconduttori maggiormente utilizzati nelle applicazioni switching caratterizzate da elevate tensioni e correnti elevate. Il motivo della scelta si deve alla loro maggiore efficienza e alla maggiore capacità di commutazione alle alte velocità. Esaminiamo alcuni criteri che aiutano nella loro scelta in un progetto elettronico di potenza.

Parametri per il comportamento come interruttore logico

Qualsiasi sia il livello logico (e analogico) con cui lavora un determinato progetto, vi sono diversi valori di soglia che determinano una netta e chiara saturazione o una interdizione del dispositivo. Tali valori, in altre parole, definiscono un funzionamento preciso in un livello logico alto oppure basso. Spesso, tra il livello alto e basso, è necessaria una zona di transito che garantisca un passaggio non troppo brusco tra i due livelli. Tale zona è definita regione “illegale” o “di incertezza”, come è possibile osservare in figura 1.

E’ importante osservare la tensione di soglia minima e massima di “gate-source” come segue:

• la Vgs(th)(min) è il valore della tensione di gate sotto il quale il MOSFET si spegne;
• la Vgs(th)(max) è il valore della tensione di gate sopra il quale il MOSFET si accende.

Solitamente le tensioni di gate minime (per una logica positiva di 5 V) sono tra 0,5 V e 1 V. Quelle superiori al valore di soglia massimo accendono il MOSFET. Le tensioni comprese tra il punto superiore del minimo e il punto inferiore del massimo potrebbero accendere oppure spegnere il MOSFET. Esse devono essere evitate in quanto rappresentano una zona di incertezza e i comportamenti del MOSFET non possono essere previsti a priori. Pertanto occorre studiare il comportamento del Gate di ogni dispositivo, prima di iniziare a progettare la logica del nuovo sistema. In figura 2 è osservabile un classico schema elettrico che prevede un carico di 8 Ohm alimentato con una tensione di 96 V. Il MOSFET funziona, in questo caso, da interruttore elettronico e può essere attivato pilotando il “gate” con una opportuna tensione di alimentazione. Relativamente al modello UF3C065080T3S di UnitedSiC, l’intervallo di tensione applicabile al “gate” è compreso tra -25 V e +25 V.

Vediamo, adesso, come si comporta la conduzione del MOSFET, osservando la corrente che passa sul carico R1, in dipendenza della tensione di “gate”. Il relativo grafico è mostrato in figura 3. Il componente resta in stato di interdizione (interruttore aperto) per tutte le tensioni di “gate” comprese tra -25 V e 5.8 V. Da 6.4 V a 25 V il MOSFET si comporta come un interruttore chiuso.

Con una tensione di “gate” compresa tra 5.8 V e 6.4 V (con escursione equivalente di 600 mV), il MOSFET lavora, praticamente, in zona lineare. Tale intervallo deve essere evitato poiché il componente dissipa molta potenza in calore, come è possibile osservare nel grafico della potenza del SiC in figura 4. La potenza media di M1 (curva rossa), infatti è così dissipata:

• durante il periodo di interdizione: 0 Watt;
• durante il periodo di saturazione: 12.5 Watt;
• durante il periodo di incertezza e in regime lineare: 133.75 Watt, con un picco di 288 Watt.

L’efficienza del circuito dipende tanto anche da questo aspetto.

Figura 5: i diversi comportamenti di commutazione del MOSFET a diverse velocità

Parametro della Rds(on)

Rds(on) significa “Resistenza tra drain e source in conduzione”. I MOSFET sono generalmente utilizzati come alternativa migliore ai transistor di potenza e vengono utilizzati per applicazioni di commutazione ad alta corrente. Se tale parametro è più basso significa che il MOSFET perde meno energia, secondo la legge di Ohm, e si traduce in una più alta efficienza dal punto di vista energetico e produce meno calore. Il progettista, dunque, dovrebbe scegliere un modello di componente con un valore di Rds(on) il più basso possibile. Nel nostro esempio, quando il MOSFET è in conduzione, la Rds(on) può essere facilmente calcolata con la formula:

Rds(on) = V(drain) / I(drain)

da cui:

Rds(on) = 1.00574 / 11.87428

che restituisce un valore pari a 0.084 Ohm (84 milliOhm), secondo le specifiche ufficiali del datasheet del componente.

Parametro della capacità di ingresso (CISS) e di uscita (COSS)

Il “gate”, lo strato di ossido e il relativo collegamento sul corpo del MOSFET funziona, a tutti gli effetti, come un piccolo condensatore. Appena il “gate” è sottoposto a una tensione, tale condensatore virtuale inizia a caricarsi. La carica richiede tempo e si verifica, pertanto, un ritardo dello stato ON. Il progettista dovrebbe scegliere un MOSFET con una capacità di ingresso più bassa possibile, per evitare lunghi ritardi. Se si utilizza un MOSFET con un collegamento diretto a un pin di uscita di una MCU, il “gate” dovrebbe essere connesso tramite un resistore esterno, per impedire risultati indesiderati. Per quanto riguarda il modello di SiC utilizzato, i suoi parametri capacitivi sono i seguenti:

• input capacitance (CISS): a VDS=100 V, VGS=0 V, F=100 kHz: 1500 pF;
• output capacitance (CISS): a VDS=100 V, VGS=0 V, F=100 kHz: 104 pF.

Parametri relativi alla velocità di commutazione

I MOSFET sono particolarmente indicati per applicazioni in regime di commutazione veloce. Più è alta la frequenza e più piccoli devono essere i trasformatori ma aumentano i rumori trasmessi. A ogni modo, alcuni parametri fondamentali che legano il componente alla velocità di commutazione sono i seguenti:

• Turn-on delay time (TdON): 25 nS;
• Rise time (Tr): 14 nS;
• Turn-off delay time (TdOFF): 54 nS;
• Fall time (Tf): 11 nS.

Il grafici della figura 5 mostrano due diversi comportamenti della commutazione del MOSFET a due frequenze differenti. I diagrammi in alto sono relativi a una frequenza di commutazione di 1 MHz e mostrano, rispettivamente, il segnale della corrente sul carico, la tensione sul “gate” e la tensione del generatore PWM. Come si può notare, il comportamento del componente a questa frequenza è molto buono. I diagrammi in basso si riferiscono, invece, a un segnale quadrato della frequenza di 10 MHz. Si noti che tutti i segnali sono altamente distorti e il MOSFET, in pratica, è sempre in uno stato di conduzione.Figura 5: i diversi comportamenti di commutazione del MOSFET a diverse velocità

Conclusione

I parametri esaminati sono solo alcuni per chi deve scegliere un MOSFET. I progettisti possono studiare altre caratteristiche del componente che riguarda, ad esempio, la dissipazione del calore e altri parametri. Lavorare con i MOSFET è una esperienza molto interessante che aumenta a dismisura l’efficienza del proprio circuito e allarga le sue possibilità operative. Altri parametri operativi da osservare sono il recupero inverso, la protezione ESD, le perdite di commutazione, le massime tensioni e correnti sopportate e molte altre. Si tratta di informazioni reperibili sui datasheet ufficiali del componente.