Un MOS reale: STB100NF04

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In questa pagina viene descritto un MOS reale. Il comportamento estremamente semplificato è stato descritto nella pagina Il MOS in ON/OFF. In questa pagina vengono approfonditi alcuni aspetti in riferimento ad un componente reale.

Innanzitutto occorre leggere i fogli tecnici del MOS. Useremo come esempio un STB100NF04, definito dal produttore come Power MOSFET N-channel 40 V, 0.0043 Ω typ, 120 A.

MOS: Absolute maximum ratings

La prima tabella mostra i valori massimi assoluti, superati i quali il costruttore non garantisce più la sopravvivenza del componente. Sono evidenziati quelli che possono essere considerati i parametri fondamentali.

La massima tensione VDS e la massima corrente ID sono le caratteristiche principali del componente e possono variare di molto tra le varie sigle.
La massima tensione VGS è una valore comune a quasi tutti i MOS di potenza
Con temperature di giunzione TJ si intende la massima (e anche minima) temperatura che può essere raggiunta all'interno del componente
Le due caselle in verde indicano il legame tra temperatura e potenza elettrica. Il concetto verrà ripreso più avanti.

In genere è bene rimanere lontani da tutti i limiti presentati.

ON / OFF

Questa tabella mostra alcuni valori "consigliati", in condizioni statiche, cioè senza cambiamenti rapidi nel tempo

La tensione VGS di soglia indica la tensione tra Gate e Source appena sufficiente per far condurre il MOS. Questo non è il valore per il funzionamento ideale. Se VGS è minore, il MOS è un interruttore aperto.
La RDS(on) è la resistenza misurata tra Drain e Source quando il MOS conduce bene, cioè la tensione tra Gate e Source è di 10 V. Questa è la tensione tra Gate e Source raccomandata.

MOS: dynamic

Questa tabella descrive le caratteristiche del MOS legate alla sua velocità.

La capacità CISS è quella di ingresso, tra Gate e Source. È importante perché ogni volta che il MOS viene acceso occorre caricare tale condensatore ed ogni volta che il MOS viene spento occorre scaricarlo.
I tempi di salita e discesa sono piccoli, ma non nulli.

Osservazioni

E' bene che i tempi di carica/scarica siano piccoli, come descritto poco più avanti
La CISS è fortemente non lineare, non vale cioè la relazione lineare tra carica accumulata e tensione. In particolare il legame tra tensione e tempo durante la carica o la scarica non è quindi una curva esponenziale

MOS: caratteristica

Questo grafico mostra cosa succede alla corrente di Drain (ID) e alla tensione tra Drain e Source (VDS) al variare della tensione tra Gate e Source (VGS).

Sono evidenziate due aree:

In verde la zona lineare, in corrispondenza di VGS = 10 V. Il legame tra I e V è una retta passante per l'origine, cioè il MOS si comporta come una resistenza, peraltro molto piccola, quasi un interruttore chiuso. Quanto vale tale resistenza (legge di ohm)? Dove abbiamo già visto questo numero? Quanto vale la potenza dissipata dal MOS?
In giallo la zona in cui la corrente è nulla, quindi il MOS si comporta come un interruttore aperto. VGS deve essere piccola, meglio se 0 V (non appare scritto, il valore più piccolo indicato è 5 V). Quanto vale la potenza dissipata?

MOS: Safe operating area

L'ultimo grafico mostra l'area in cui il funzionamento del MOS risulta "sicuro": è corretto il funzionamento solo se il punto individuato da ID e VDS cade all'interno dell'area colorata. Tale area è spesso indicata come SOA.

Se ricordiamo che il prodotto di tensione e corrente è la potenza dissipata, possiamo comprendere perché il produttore indica tra i massimi assoluti anche un valore di potenza massima.

Osservazioni

Nella figura sono indicate ben 4 diverse SOA, in funzione della durata per cui tensione e corrente sono applicate: per brevi istanti è possibile "uscire" dall'area indicata, purché vengano rispettati i tempi e i valori indicati nel grafico dalle altre curve.
Il grafico è relativo alla temperatura del contenitore di 25 °C. Se tale temperatura aumenta occorre procedere un restringimento dell'area, calcolabile a partire dal fattore di derating, riportato tra i massimi assoluti e pari per questo componente a 2 W/°C. Il calcolo effettivo è al di fuori degli scopi di questo scritto, ma, se la temperatura sale per esempio a 35 °C (+ 10 °C), la potenza che può essere gestita scende da 150 W a 130 W (-20 W)

MOS: Thermal resistance

L'ultima tabella mostra la resistenza termica: per ogni watt dissipato dal MOS, la temperatura sale del valore indicato. La grandezza evidenziata è relativa all'assenza di dissipatore. Per una spiegazione ed un approfondimento: Calcolare la temperatura di giunzione.

Si noti che tale valore è principalmente dovuto al contenitore (TO-220 nell'esempio) e non al MOS in quanto tale.

Quesiti

Applichiamo i numeri di questo MOS al circuito di esempio, sia con lampadina accesa che lampadina spenta:

Quanto vale la resistenza totale collegata alla batteria?
Quanto vale la corrente?
Quale tensione troviamo ai capi della lampadina?
Quale tensione troviamo tra Drain e Source?
Quanta potenza (utile) è usata dalla lampadina?
Quanta potenza (sprecata) viene dissipata dal MOS?
Di quanto sale la temperatura del MOS?
Esistono valori che escono dalla SOA oppure superano i massimi assoluti?