ETUDE DES COMPOSANTS DE PUISSANCE (partie 3/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de cette leçon, l’élève sera capable de : - décrire la structure physique et le principe de fonctionnement d’un transistor à effet de champ à grille isolée (TUJ, MOSFET) ; - interpréter les caractéristiques statiques (courant de drain ID en fonction de VGS et VDS) et déterminer les régimes de fonctionnement (coupure, actif, saturation) ; - réaliser le dimensionnement d’une polarisation de grille pour un ampli‑tension en utilisant les équations du MOSFET ; - appliquer les règles de sécurité liées à la manipulation des composants de puissance (tensions élevées, dissipation thermique) ; - résoudre des problèmes pratiques rencontrés en atelier électronique camerounais (alimentation de moteurs, variateurs de vitesse, commandes d’éclairage). **Prérequis** : connaissances de base en électronique analogique (loi d’Ohm, loi des nœuds, loi des mailles), notion de diode PN, compréhension du comportement d’un transistor bipolaire (BJT) et familiarité avec les unités électriques (V, A, W, Ω). --- ## Introduction contextualisée Dans les installations industrielles camerounaises (usines de transformation agroalimentaire, ateliers de soudure, centres de télécommunication), les variateurs de vitesse à commande MOSFET sont devenus incontournables pour régler la puissance délivrée aux moteurs asynchrones ou aux systèmes d’éclairage LED. Le transistor à effet de champ à grille isolée (TUJ) offre une impédance d’entrée très élevée, des pertes de commutation faibles et une capacité à supporter des courants élevés tout en restant commandé par une faible tension de grille. Maîtriser son fonctionnement permet donc au technicien de concevoir, maintenir et dépanner des équipements de puissance conformes aux normes de sécurité du MINESEC (NF C 15-100, IEC 60950). --- ## I. Transistors à effet de champ à grille isolée (TUJ) ### A. Structure et principe de fonctionnement Un MOSFET n‑canal en mode amélioration se compose de : - un substrat de type p (ou n pour un p‑canal) ; - deux régions fortement dopées de type n (source et drain) créées par implantation d’ions ; - une couche d’oxyde de SiO₂ isolant la grille métallique du canal ; - une grille en polysilicium ou métal, séparée du canal par l’oxyde (d’où le nom « grille isolée »). > *Lorsque aucune tension n’est appliquée entre grille et source (VGS = 0), le canal n’existe pas ; le dispositif est en état de coupure.* L’application d’une tension positive VGS crée un champ électrique qui attire des électrons dans la zone sous l’oxyde, formant un canal n conducteur entre source et drain. Le courant de drain ID dépend alors de la tension VDS (drain‑source) et de VGS. ### B. Caractéristiques statiques Dans le régime de saturation (VDS ≥ VGS – VTH), le courant de drain s’exprime par la loi au carré : \[ I_D = K \, (V_{GS} - V_{TH})^2 \] où : - **K** : facteur de transconductance (A/V²), dépend de la mobilité des porteurs, de la capacité d’oxyde Cox et du rapport W/L (largeur/longueur du canal) ; - **VTH** : tension de seuil (en général 2 V à 4 V pour un MOSFET n‑canal de puissance). Dans le régime linéaire (ohmique) : \[ I_D = K \big[ (V_{GS} - V_{TH}) V_{DS} - \tfrac{1}{2} V_{DS}^2 \big] \] > *Le facteur K peut être déterminé à partir de la caractéristique ID‑VGS fourni par le constructeur (ex. : K = 2 mA/V² pour un MOSFET de petite puissance, ex. : 2N7000).* ### C. Régimes de fonctionnement | Régime | Condition | Expression de ID | Utilisation typique | |--------|-----------|------------------|---------------------| | Coupure | VGS < VTH | ID ≈ 0 | Interrupteur ouvert | | Actif (saturation) | VGS > VTH et VDS ≥ VGS – VTH | ID = K (VGS – VTH)² | Amplificateur, source de courant constante | | Linéaire (ohmique) | VGS > VTH et VDS < VGS – VTH | ID = K[(VGS‑VTH)VDS – ½ VDS²] | Résistance commandée (variateur de vitesse) | > *En commutation rapide, on cherche à minimiser le temps passé dans le régime linéaire afin de réduire les pertes de conduction.* ### D. Polarisation et circuits d’amplification Un ampli‑tension classique en configuration source commune utilise une résistance de drain RD et une résistance de source RS (éventuellement bypassée par un condensateur CS). Le point de repos (Q‑point) est choisi pour que le transistor travaille en saturation avec une marge de dynamique suffisante. **Exemple de dimensionnement** (données constructeur : K = 2 mA/V², VTH = 2 V, VDD = 12 V, désiré IDQ = 5 mA, VDSQ ≈ VDD/2 = 6 V). 1. Déterminer VGSQ à partir de la loi au carré : \[ V_{GSQ} = V_{TH} + \sqrt{\frac{I_{DQ}}{K}} = 2 + \sqrt{\frac{5\text{ mA}}{2\text{ mA/V}^2}} = 2 + \sqrt{2,5} \approx 2 + 1,58 = 3,58\text{ V} \] 2. Choisir RS pour obtenir cette VGS avec une résistance de grille RG très grande (≈ 1 MΩ) : \[ V_{GS} = V_G - V_S \approx 0 - I_D R_S \Rightarrow R_S = \frac{V_{GS}}{I_D} = \frac{3,58\text{ V}}{5\text{ mA}} \approx 716\ \Omega \] On prend la valeur normalisée 680 Ω. 3. Calculer RD pour obtenir VDSQ = 6 V : \[ V_{DS} = V_{DD} - I_D(R_D + R_S) \Rightarrow R_D = \frac{V_{DD} - V_{DS}}{I_D} - R_S = \frac{12 - 6}{5\text{ mA}} - 680\ \Omega = 1,2\ \text{k}\Omega - 680\ \Omega \approx 520\ \Omega \] On choisit 470 Ω (valeur normalisée). > *Le point de repos ainsi obtenu garantit une marge de ±2 V sur VDS avant d’entrer en linéaire ou en coupure.* ### E. Protection et sécurité - **Limite de puissance** : vérifier que \(P_D = V_{DS} \times I_D\) ne dépasse pas la puissance maximale spécifiée (ex. : 20 W pour un IRF540 à Tc = 25 °C). - **Refroidissement** : utiliser un dissipateur thermique adapté; la résistance thermique junction‑boîtier RθJC doit être respectée (ex. : 0,62 °C/W). - **Protection contre les surtensions de grille** : la tension VGS ne doit jamais dépasser ±20 V (valeur typique du MOSFET) ; placer une diode de clamping ou une résistance de limitation en série avec la grille. - **Électricité statique** : manipuler les MOSFET avec bracelet antistatique et travailler sur un plan conducteur relié à la terre. - **Déconnexion sous charge** : couper toujours l’alimentation avant de remplacer un MOSFET afin d’éviter les arcs et les surtensions de récupération. > *En atelier, un test de continuité avec un multimètre en mode diode permet de détecter un MOSFET court‑circuité (lecture ≈ 0 V) ou ouvert (lecture infinie).* --- ## Synthèse du chapitre - Le MOSFET (TUJ) est un transistor à commande de tension, impédance d’entrée élevée, adapté à la commutation et à l’amplification de puissance. - Son fonctionnement repose sur la formation d’un canal conducteur sous l’oxyde de grille lorsqu’on applique VGS > VTH. - En saturation : \(I_D = K (V_{GS} - V_{TH})^2\). En linéaire : \(I_D = K[(V_{GS}-V_{TH})V_{DS} - \frac12 V_{DS}^2]\). - Les trois régimes principaux sont : coupure (VGS < VTH), actif/saturation (VDS ≥ VGS‑VTH) et linéaire (VDS < VGS‑VTH). - Le dimensionnement d’un ampli‑tension source‑commun se fait en choisissant un point de repos (IDQ, VDSQ) puis en calculant RS et RD à partir des équations du MOSFET. - La sécurité impose de respecter les limites de puissance, de température, de tension de grille et d’utiliser des protections antistatiques et de dissipation thermique. - Les paramètres clés à retenir sont : VTH, K, IDSS (pour les modèles en déplétion), RθJC, VGS(max) et PD(max). --- ## Glossaire - **MOSFET** : Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor, transistor à effet de champ à grille isolée. - **VTH** : Tension de seuil, valeur de VGS à laquelle le canal commence à se former. - **K** : Facteur de transconductance (A/V²), dépend de la mobilité des porteurs, de la capacité d’oxyde Cox et du rapport W/L (largeur/longueur du canal). - **ID** : Courant de drain, courant qui circule entre drain et source. - **VDS** : Tension drain‑source. - **VGS** : Tension grille‑source. - **RθJC** : Résistance thermique junction‑boîtier (°C/W), indique la capacité à évacuer la chaleur. - **PD(max)** : Puissance dissipable maximale du boîtier (W). - **RS** : Résistance de source, utilisée pour stabiliser le point de repos. - **RD** : Résistance de drain, fixe le gain en tension d’un ampli‑tension source‑commun. - **RG** : Résistance de grille, généralement très élevée pour ne pas charger le circuit de commande. - **CS** : Condensateur de dérivation de source, augmente le gain en fréquence moyenne. - **RDS(on)** : Résistance drain‑source en état conducteur, importante pour les pertes en commutation. - **Ciss, Coss, Crss** : Capacités internes (entrée, sortie, transfert) influençant la vitesse de commutation. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un ampli‑tension Un MOSFET n‑canal de petite puissance (ex. : 2N7000) présente K = 3 mA/V² et VTH = 2,5 V. On veut réaliser un ampli‑tension source‑commun alimenté par VDD = 15 V, avec un courant de repos IDQ = 8 mA et une tension drain‑source VDSQ ≈ 7 V. **Calculer** : 1. VGSQ nécessaire. 2. Valeur de RS (en supposant RG très grande). 3. Valeur de RD. **Corrigé** 1. \(V_{GSQ} = V_{TH} + \sqrt{I_{DQ}/K} = 2,5 + \sqrt{8\text{ mA}/3\text{ mA/V}^2} = 2,5 + \sqrt{2,666...} = 2,5 + 1,633 ≈ 4,13\text{ V}\). 2. \(R_S = V_{GSQ}/I_{DQ} = 4,13\text{ V} / 8\text{ mA} ≈ 516\ \Omega\). Valeur normalisée : 470 Ω (on accepte une légère marge). 3. \(R_D = (V_{DD} - V_{DSQ})/I_{DQ} - R_S = (15-7)/8\text{ mA} - 516\ \Omega = 8/0,008 - 516 = 1000 - 516 = 484\ \Omega\). Valeur normalisée : 470 Ω. **Résultat** : RS ≈ 470 Ω, RD ≈ 470 Ω (on peut ajuster légèrement pour obtenir exactement VDSQ = 7 V). ### Exercice 2 – Vérification de la dissipation thermique Un MOSFET de puissance a les caractéristiques suivantes : VDS(max) = 100 V, ID(max) = 30 A, RθJC = 0,5 °C/W, Ta(max) = 50 °C, TJ(max) = 150 °C. On l’utilise en commutation avec VDS = 60 V et ID = 20 A, avec un facteur de forme d’onde carré (50 % du temps en conduction). **Déterminer** : la puissance moyenne dissipée et vérifier que la température de junction ne dépasse pas la limite. **Corrigé** Puissance instantanée en conduction : \(P_{cond} = V_{DS} \times I_D = 60\text{ V} \times 20\text{ A} = 1200\text{ W}\). Comme le transistor conduit seulement 50 % du temps, la puissance moyenne : \(P_{moy} = 0,5 \times 1200 = 600\text{ W}\). Élévation de température due à la puissance : \(\Delta T = P_{moy} \times R_{\theta JC} = 600 \times 0,5 = 300\text{ °C}\). Température de junction estimée : \(T_J = T_A + \Delta T = 50 + 300 = 350\text{ °C}\). Cette valeur dépasse largement TJ(max) = 150 °C ; le dispositif serait détruit. **Solution** : il faut réduire soit la tension, soit le courant, soit augmenter le dissipateur (baisser RθJC). Par exemple, avec un dissipateur donnant RθJC = 0,05 °C/W, \(\Delta T = 600 \times 0,05 = 30\text{ °C}\) et \(T_J = 80\text{ °C}\), dans les limites. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Dépasser la tension maximale VGS (±20 V) en appliquant directement une commande de 24 V sans résistance de limitation. | Rupture de l’oxyde de grille → défaut permanent du MOSFET. | Toujours placer une résistance de série (ex. : 10 kΩ) ou une diode de clamping entre la commande et la grille. | | 2 | Oublier le dissipateur thermique ou utiliser un radiateur sous‑dimensionné. | Surchauffe, dérive des paramètres, destruction du dispositif. | Calculer la puissance dissipée, choisir un dissipateur tel que \(T_J = T_A + P_D \times R_{\theta JC} < T_{J,max}\). | | 3 | Mesurer VDS avec un multimètre en mode tension alors que le transistor commute rapidement (kHz). | Lecture erronée, risque de court‑circuit du appareil de mesure. | Utiliser un oscilloscope avec une sonde adaptée (atténuation 10x) pour visualiser les formes d’onde. | | 4 | Souder directement les pattes du MOSFET sans respecter la polarité (source/drain inversé). | Le dispositif ne bloque pas en état OFF, conduisant à des courants de fuite importants. | Vérifier le boîtier (repère du fabricant) et respecter le schéma de brochage avant soudure. | | 5 | Travailler sur un circuit sous tension sans bracelet antistatique. | Décharge électrostatique pouvant endommager la grille oxyde. | Toujours porter un bracelet relié à la terre et travailler sur un plan antistatique. | | 6 | Négliger la vérification de la continuité drain‑source avec un multimètre en mode diode avant remplacement. | Risque de remplacer un MOSFET bon par un défectueux ou vice‑versa. | Mesurer en mode diode : une lecture ≈ 0,5 V (dans un sens) et OL (infini) dans l’autre sens indique un bon MOSFET ; 0 V ou OL dans les deux sens indique un défaut. | --- *Fin du cours.*