Un guide de sélection rapide des transistors MOSFET de puissance

Choisir des semi-conducteurs pour des applications de puissance industrielles est une étape clé pour assurer la fiabilité et la longévité du système. Nous vous proposons ici un guide de sélection rapide qui ordonne les différents transistors MOSFET.

Pour choisir un transistor MOSFET destiné à un système de puissance, une excellente méthode pour réduire les choix consiste à éliminer d'emblée tous les modèles n'ayant pas le courant ou la tension requise. Par exemple, pour réaliser un convertisseur d'alimentation sous 250V, il faut choisir un MOSFET 600V pour pallier aux tensions transitoires.

Outre les caractéristiques générales, les fiches de données MOSFET fournissent des courbes opérationnelles de sécurité (SOA), qu'il est très judicieux d'examiner en détail pour déterminer si l'élément concerné sera capable de supporter votre application dans toutes les conditions d'utilisation et de sécurité. Les tracés SOA représentent les valeurs de tension et de courant autorisant une utilisation sûre des MOSFET. Vous voyez ci-dessous un exemple de tracé SOA pour un composant infrarouge.  

Figure 1 : Exemple de tracé SOA MOSFET, illustrant les limites de sécurité du composant.

Outre les valeurs de tension et de courant, les caractéristiques clés des MOSFET incluent la résistance du MOSFET sous tension, exprimée par la valeur RDS(ON). Une valeur RDS(ON) basse signifie que le MOSFET sous tension gaspille moins d'énergie et contribue à renforcer le rendement énergétique de l'alimentation.

Vous devez également tenir compte des conditions thermiques prévues pour votre application. La valeur RDS(ON) augmente avec la température. Vous devez vérifier si ces changements restent acceptables. L'exemple d'un MOSFET Vishay (ci-dessous) présente la relation entre la valeur RDS(ON) (normalisée) et la température de la jonction.

Figure 2 : Exemple d'interdépendance entre la valeur RDS(ON) et la température de jonction

La valeur RθJC représente la résistance thermique entre la jonction du MOSFET et le boîtier. Elle mesure l'efficacité du boîtier à évacuer la chaleur générée par le composant silicium interne. Les technologies actuelles autorisent d'excellents niveaux de dissipation thermique. Voyons par exemple ce MOSFET de puissance STMicroelectronics. Il offre une valeur θJC de 0,5 °C/W pour le boîtier D2PAK ou le TO-220, ou 3,33 °C/W pour le même composant dans un boîtier TO220-FP. Nous indiquons aussi la valeur RθJA, qui est la résistance thermique entre la jonction et l'air ambiant, soit 62,5 °C/W pour les deux types de boîtier.

Ces caractéristiques sont évidemment interdépendantes, ainsi que les coûts. Il est donc important de ne pas oublier que les MOSFET sont optimisés pour différentes applications. Pour un commutateur de charge d'alimentation dans une application serveur, le MOSFET restera sous tension presque en permanence. Ces caractéristiques de commutation ne sont donc pas aussi importantes que sa valeur RDS(ON). Par contre, dans un système d'alimentation à découpage (SMPS) où les MOSFET sont constamment commutés à haute vitesse, les caractéristiques de commutation jouent un rôle déterminant.

Les MOSFET destinés à des applications SMPS sont normalement évalués par leur facteur de mérite (FOM), qui est une mesure des caractéristiques de commutation. Le niveau d'efficacité est un critère prioritaire. Les pertes de conduction et les pertes de commutation doivent être minimisées. La valeur RDS(ON) est une bonne mesure des pertes de conduction, alors que les pertes de commutation sont exprimées par la valeur QG, étant la charge nécessaire (le niveau d'énergie donc) pour activer le MOSFET. La valeur QG est étroitement liée à la capacitance parasite de commutation. Par exemple, ce MOSFET de puissance Semi ON a une valeur QG de 7,5 nC. Le facteur de mérite est obtenu en multipliant RDS(ON) par QG. Comme il est très difficile pour les fabricants de minimiser simultanément ces deux valeurs, le FOM (facteur de mérite) est une bonne indication de la qualité du produit.

Pour obtenir les meilleurs résultats, les FOM doivent être comparés lorsque les MOSFET fonctionnent dans les mêmes conditions, c'est à dire avec les mêmes valeurs VGS, VDS et ID, puisque les caractéristiques changent en fonction des conditions. Par exemple, ce Fairchild indique un RDS(ON) de 104 mΩ à VGS= 10 V, ID=4,2 A, mais dans des conditions différentes, la valeur RDS(ON) atteint 156 mΩ à VGS=4,5 V, ID=3,4 A.

D'autres facteurs de mérite les plus couramment utilisés incluent : RDS(ON) * empreinte, puisqu'une faible valeur RDS(ON) dans une petite surface de carte peut signifier que le même convertisseur peut être installé dans un volume réduit, augmentant donc la densité de puissance.

Même dans les topologies d'alimentation à découpage, certaines exigences peuvent varier. Par exemple, dans un convertisseur de résonance, les pertes de commutation sont minimisées lorsque la commutation a uniquement lieu si la valeur VDS ou ID est nulle (ou commutation sur tension/ courant nul). Les pertes de conduction sont alors disproportionnellement importantes et RDS(ON) jouera un rôle crucial dans la sélection des MOSFET.

Outre les alimentations, les topologies de de pont utilisées dans les contrôles de moteur présentent aussi différentes exigences. Ces MOSFET n'ont pas besoin d'une haute vitesse de commutation, mais les diodes du boîtier doivent avoir une durée de recouvrement inverse rapide (trr) pour protéger le dispositif contre les courants inverses générés par des charges inductives. Des composants dotés de diodes à recouvrement rapide sont disponibles, comme ce modèle Toshiba, qui est conçu pour des convertisseurs solaires.

Même si les valeurs de base, la performance thermique, la résistance sous tension et les caractéristiques de commutation constituent une bonne indication de la qualité des MOSFET, les critères de sélection ultimes sont en finalité déterminés par l'application. En finalité, les caractéristiques les plus pertinentes sont toujours déterminées par la compréhension des conditions d'utilisation des MOSFET.