Où un MOSFET de commutation perd-il de la puissance ?
Un MOSFET utilisé en interrupteur PWM dissipe de la puissance de deux façons :
- Pertes par conduction à l’état passant : le courant de drain traverse sa résistance Rds(on).
- Pertes par commutation à chaque transition, quand tension et courant se chevauchent pendant quelques nanosecondes.
Cette chaleur fait monter la température de jonction, qui doit rester sous la limite (souvent 150 ou 175 °C) avec de la marge.
Les formules
- Conduction : P_cond = I² × Rds(on) × k_chaud × rapport cyclique
- Commutation : P_comm ≈ ½ × U × I × (t_montée + t_descente) × f
- Température de jonction : T_j = T_ambiante + P_totale × R_th
Le Rds(on) augmente avec la température, souvent de 1,5 à 1,7 fois à 100 °C : le calculateur applique un multiplicateur.
Exemple
Commuter 10 A sous 12 V avec un MOSFET de 10 mΩ, à 50 % de rapport cyclique, 20 kHz et 100 ns de montée et descente cumulées :
| Élément | Valeur |
|---|---|
| Pertes par conduction (à chaud) | 0,75 W |
| Pertes par commutation | 0,12 W |
| Total | 0,87 W |
| Température de jonction, TO-220 sans dissipateur (62 °C/W) | environ 79 °C |
À 200 kHz, les pertes par commutation seraient dix fois plus fortes, 1,2 W, et deviendraient majoritaires.
Réduire les pertes
- Choisissez un Rds(on) plus faible pour les forts courants et une charge de grille plus faible pour les hautes fréquences.
- Commandez la grille énergiquement : un vrai driver de grille de 1 à 2 A crête raccourcit les transitions. Une broche de microcontrôleur qui attaque directement un gros MOSFET commute lentement.
- Utilisez un MOSFET « logic level », spécifié à votre tension de grille (par exemple Rds(on) à Vgs = 4,5 V pour une logique 5 V).
- Ajoutez un dissipateur ou une surface de cuivre : la résistance thermique nécessaire figure dans les résultats.
Résistance thermique
La résistance thermique totale de la jonction à l’air est la somme jonction-boîtier, boîtier-dissipateur (avec pâte ou pad thermique) et dissipateur-air. Un TO-220 seul à l’air calme fait environ 62 °C/W ; sur un dissipateur moyen, on descend sous 10 °C/W.
Limites
C’est une première estimation. Elle néglige les pertes de commande de grille, la conduction de la diode interne, la recouvrance inverse et les oscillations, qui comptent dans les montages rapides et à haute tension. Vérifiez l’aire de sécurité (SOA) de la fiche technique et mesurez la température du boîtier sur le prototype.