Sélection du MOSFET : VDS, RDS(on), Qg et thermique
La plupart des choix de MOSFET échouent sur le deuxième ou le troisième chiffre, pas sur le premier. La tension nominale est facile ; la résistance à l'état passant correspondant à votre commande de grille réelle, ainsi que la chaleur qui en découle, sont les points où les conceptions se trompent.
Réponse rapide
- VDS: au moins 1.5–2× la tension d'entrée maximale, y compris les transitoires.
- RDS(on): à la tension de grille que vous appliquez réellement — pas le chiffre de 10 V.
- Qg: détermine la perte de commande de grille et la vitesse de commutation ; une puce plus grande en a davantage.
- Thermique: le boîtier et le cuivre déterminent si la perte est supportable.
1. Tension : le nombre facile
Un rail d'alimentation 24 V avec des transitoires de charge peut présenter 30–36 V au drain. Un FET 40 V est un point de départ raisonnable ; un composant 30 V ne l'est pas. La règle empirique est 1.5–2× le rail nominal, et vérifiez la caractéristique d'avalanche si la charge est inductive.
Des tensions nominales plus élevées s'accompagnent généralement d'un RDS(on) plus élevé pour la même taille de puce, donc ne surspécifiez pas : un composant 100 V sur un rail 12 V coûte en résistance passante pour une marge dont vous n'avez pas besoin.
| Rail | VDS à viser | Commentaire |
|---|---|---|
| 5 V | 20–30 V | Plenty of choice, low RDS(on) |
| 12 V | 30–40 V | The common sweet spot |
| 24 V | 40–60 V | Check transients on the rail |
| 48 V | 80–100 V | RDS(on) rises; parallel devices may be better |
2. RDS(on) à votre tension de grille
Les fiches techniques indiquent le RDS(on) à 10 V, souvent aussi à 4,5 V, et rarement à 2,5 V. Si le pilote de grille est une broche MCU à 3,3 V, la valeur à 10 V relève de la fiction pour votre conception : le composant peut n’être que partiellement enrichi, et la résistance plusieurs fois plus élevée.
| Commande de grille | Classe de pièce | À surveiller |
|---|---|---|
| 10–12 V | Standard | Gate charge and driver current |
| 4.5–5 V | Logic-level | Check the 4.5 V column exists |
| 2.5–3.3 V | Sub-logic-level | Fewer parts; watch threshold spread |
3. Qg et le pilote
Pertes de grille = Qg x Vg x fsw Qg 30 nC, 10 V, 100 kHz : 30 mW Qg 6 nC : 6 mW
Les pertes de grille sont faibles à 100 kHz et dominantes à 1 MHz. L'autre moitié correspond aux pertes de commutation pendant la transition, qui dépendent de la vitesse à laquelle le pilote peut charger et décharger la grille — un pilote faible avec un Qg élevé transforme un composant « à faible RDS(on) » en radiateur.
La force du pilote est l'autre moitié de l'équation. Un GPIO 3.3 V fournit quelques milliampères ; un pilote de grille dédié fournit des ampères pendant quelques nanosecondes. Avec un Qg élevé et un pilote faible, le FET reste plus longtemps dans la région linéaire à chaque front, et ce temps est de la chaleur.
4. Le budget de pertes
| Terme | Formule | Remarque |
|---|---|---|
| Conduction | I² × RDS(on) × D | Use RDS(on) at temperature |
| Switching | 0.5 × VDS × I × (tr + tf) × fsw | Measured, not guessed |
| Gate | Qg × Vg × fsw | Driver loss often included |
| Body diode | VF × I × dead time × fsw | Matters in synchronous stages |
Exemple : 24 V vers 5 V, 5 A, 200 kHz, RDS(on) 10 mΩ à 100 °C, D = 0.21. La conduction est de 25 × 0.010 × 0.21 ≈ 53 mW ; la commutation avec des fronts de 20 ns est de 0.5 × 24 × 5 × 40e-9 × 200e3 ≈ 480 mW ; la grille à 10 nC est de 2 mW. C’est la commutation, et non la conduction, qui pose problème — un front plus rapide ou une fréquence plus basse change la réponse.
Ce résultat est l’inverse de l’intuition habituelle. À 24 V et 200 kHz, le terme de commutation domine, de sorte qu’un composant avec un RDS(on) légèrement plus élevé mais un Qg bien plus faible et des fronts plus rapides peut chauffer moins. À 5 V et 50 kHz, le terme de conduction l’emporte généralement, et le composant à faible RDS est le bon.
5. Thermique : boîtier et cuivre
Le pad de drain fait office de dissipateur thermique. Un DFN avec une matrice de vias et du cuivre de l’autre côté peut atteindre 20 °C/W ; un SOT-23 sans cuivre se rapproche plutôt de 200 °C/W dans l’air immobile. Choisir le boîtier, c’est choisir la résistance thermique.
5b. Trois candidats, même fonction
| Candidat | RDS(on) à 4.5 V | Qg | Compatible |
|---|---|---|---|
| A: big die | 5 mΩ | 30 nC | Low frequency, high current |
| B: balanced | 10 mΩ | 10 nC | Most 100–300 kHz designs |
| C: small die | 20 mΩ | 3 nC | High frequency, light load |
Aucun d’entre eux n’est « le meilleur ». La bonne réponse dépend du budget de pertes, c’est pourquoi l’ordre de sélection commence par les chiffres de l’application plutôt que par la liste des composants.
6. Ordre de sélection
- Filtrer selon VDS (1.5–2× le rail, plus les transitoires).
- Filtrer selon RDS(on) à la tension de grille que vous utiliserez, à 100 °C.
- Vérifier Qg par rapport à la capacité du pilote à votre fréquence de commutation.
- Vérifiez la résistance thermique du boîtier par rapport au budget de pertes.
- Vérifiez ensuite la diode de corps, le SOA et l'avalanche — les détails qui déterminent les deux derniers candidats.
7. FAQ
Un RDS(on) plus faible est-il toujours meilleur ?
Non. Un RDS(on) plus faible signifie généralement une puce plus grande, un Qg plus élevé et une commutation plus lente, ce qui peut augmenter les pertes totales à haute fréquence.
Puis-je piloter un MOSFET standard à partir de 3.3 V ?
Généralement pas bien. Le seuil peut être atteint, mais le composant ne sera pas complètement passant, donc RDS(on) est bien plus élevé que la valeur de la fiche technique.
Pourquoi le FET chauffe-t-il à faible courant ?
Les pertes de commutation et de grille ne diminuent pas avec le courant. À faible charge, elles peuvent dominer, surtout à haute fréquence.
Ai-je besoin d’une résistance de grille ?
Une résistance de faible valeur (2–10 Ω) atténue les oscillations et limite les EMI. Trop grande, et les pertes de commutation augmentent ; trop petite, et les oscillations dépassent la tension nominale de grille.
Canal N ou canal P pour le côté haut ?
Le canal N a un meilleur RDS(on), mais nécessite un bootstrap ou une pompe de charge. Le canal P est plus simple et moins performant par surface — acceptable pour les faibles courants.
Et la diode de corps ?
Dans un étage synchrone, la diode de corps conduit pendant le temps mort. Sa chute directe et sa charge de récupération ajoutent des pertes, et dans un pont à commutation dure, elles peuvent provoquer des oscillations. Vérifiez trr et Qrr, pas seulement la tension directe.
Comment lire la zone de fonctionnement sûr ?
Le graphique SOA montre le courant que le composant peut supporter pour un VDS et une largeur d'impulsion donnés. Il importe pour l'insertion à chaud, l'appel de courant et les conditions de défaut — pas pour le fonctionnement en régime permanent.
De combien de cuivre ai-je besoin ?
Suffisant pour maintenir la languette près de la température ambiante, plus quelques degrés, à la perte attendue. Les vias thermiques sous le pad constituent la première étape, pas un dissipateur thermique.
8. Sources
- Fiches techniques MOSFET des fabricants — RDS(on) à 25 °C et 100 °C, Qg, SOA, résistance thermique.
- Notes d'application sur les pertes de puissance des MOSFET et la commande de grille (TI, Infineon, onsemi).
- Données thermiques du boîtier — RθJA avec la surface de cuivre et le motif de vias recommandés.
Choisir un MOSFET ?
Envoyez la tension du rail, le courant de charge, la fréquence de commutation et la commande de grille. Nous vérifierons le budget de pertes et le boîtier avant votre commande.
