Contrôle de Moteur via MOSFET

Vous êtes ingénieur(e) en conception de circuits électroniques et vous travaillez sur un projet de développement d’un circuit de commande pour un moteur. Votre tâche consiste à concevoir un circuit utilisant un MOSFET pour activer ou désactiver le moteur. Le moteur fonctionne sous 12V avec un courant nominal de 3A.

Données

Alimentation du moteur (\(V_{M}\)) : 12V
Courant nominal du moteur (\(I_{M}\)) : 3A
Spécifications du MOSFET (supposons un N-MOSFET canal N) :
- Tension maximale \(V_{DS}\) : 20V
- Courant maximal \(I_D\) : 5A
- Tension de seuil \(V_{GS(th)}\) : 2V
- Résistance à l’état passant \(R_{DS(on)}\) : 0.1 Ω (à \(V_{GS} = 5V\))
Tension de commande pour la grille (\(V_{commande}\)) : 5V (provenant d’un microcontrôleur)

Questions

Calculer la tension \(V_{GS}\) : Assurez-vous que la tension appliquée à la grille est suffisante pour que le MOSFET fonctionne en mode saturation (entièrement activé).
Calculer la chute de tension à travers le MOSFET : Utilisez la résistance à l’état passant \(R_{DS(on)}\) pour calculer la chute de tension \(V_{DS}\) à travers le MOSFET lorsque le moteur consomme son courant nominal.
Calculer la puissance dissipée par le MOSFET : Utilisez la chute de tension et le courant pour calculer la puissance \(P_D\) dissipée par le MOSFET.
Déterminer si un dissipateur thermique est nécessaire : Estimez si le MOSFET nécessite un dissipateur thermique. Vous pouvez considérer que sans dissipateur, le MOSFET ne peut pas dissiper plus de 1W sans surchauffer.

Question de réflexion

Discutez de la manière dont les caractéristiques du MOSFET influencent le choix du composant pour des applications de commutation de puissance. Quels sont les critères essentiels à considérer ?

Correction : Contrôle de Moteur via MOSFET

Schéma simplifié du circuit de commande moteur avec un MOSFET canal N (low-side switch).

1. Calcul de la tension \(V_{GS}\)

Le MOSFET est utilisé comme un interrupteur commandé en tension. Pour qu'il soit complètement passant (mode saturation ou ohmique, selon la terminologie), la tension appliquée entre sa grille (G) et sa source (S), notée \(V_{GS}\), doit être significativement supérieure à sa tension de seuil \(V_{GS(th)}\). Dans ce circuit (low-side switch), la source (S) du MOSFET est connectée à la masse (GND, 0V). La tension de commande (0V ou 5V) est appliquée à la grille (G).

Données pour cette étape

Tension de commande (état ON) : \(V_{commande} = 5 \, \text{V}\)
Tension de la source : \(V_S = 0 \, \text{V}\) (connectée à GND)
Tension de seuil : \(V_{GS(th)} = 2 \, \text{V}\)

Calcul

Lorsque le MOSFET doit être activé, la tension de commande est de 5V.

\begin{aligned} V_{GS} &= V_G - V_S \\ V_{GS} &= V_{commande} - 0 \, \text{V} \\ V_{GS} &= 5 \, \text{V} - 0 \, \text{V} \\ V_{GS} &= 5 \, \text{V} \end{aligned}

Comparons cette valeur à la tension de seuil.

V_{GS} (5 \, \text{V}) > V_{GS(th)} (2 \, \text{V})

Résultat

La tension grille-source appliquée est \(V_{GS} = 5 \, \text{V}\). Comme \(V_{GS} > V_{GS(th)}\), le MOSFET sera bien activé (conducteur).

La tension de 5V est généralement suffisante pour saturer la plupart des MOSFET logiques conçus pour être commandés par des microcontrôleurs.

2. Calcul de la Chute de Tension (\(V_{DS}\))

Lorsque le MOSFET est complètement activé (\(V_{GS} = 5V\)) et que le moteur consomme son courant nominal (\(I_M = I_D = 3A\)), le MOSFET se comporte approximativement comme une résistance, \(R_{DS(on)}\). La chute de tension entre le drain (D) et la source (S), notée \(V_{DS}\), peut être calculée par la loi d'Ohm.

Données pour cette étape

Résistance à l'état passant : \(R_{DS(on)} = 0.1 \, \Omega\)
Courant Drain (égal au courant moteur) : \(I_D = I_M = 3 \, \text{A}\)

Calcul

\begin{aligned} V_{DS} &= I_D \times R_{DS(on)} \\ V_{DS} &= (3 \, \text{A}) \times (0.1 \, \Omega) \\ V_{DS} &= 0.3 \, \text{V} \end{aligned}

Résultat

La chute de tension à travers le MOSFET lorsqu'il est activé est \(V_{DS} = 0.3 \, \text{V}\).

Cette faible chute de tension signifie que la quasi-totalité de la tension d'alimentation (12V) est disponible pour le moteur (12V - 0.3V = 11.7V).

3. Calcul de la Puissance Dissipée (\(P_D\))

La puissance dissipée par le MOSFET sous forme de chaleur (\(P_D\)) lorsqu'il est à l'état passant est due à la chute de tension \(V_{DS}\) et au courant \(I_D\) qui le traverse. Elle est calculée par la formule \(P_D = V_{DS} \times I_D\) ou, de manière équivalente, \(P_D = I_D^2 \times R_{DS(on)}\).

Données pour cette étape

Chute de tension : \(V_{DS} = 0.3 \, \text{V}\) (calculée à l'étape 2)
Courant Drain : \(I_D = 3 \, \text{A}\)
Résistance à l'état passant : \(R_{DS(on)} = 0.1 \, \Omega\)

Calcul

\begin{aligned} P_D &= V_{DS} \times I_D \\ P_D &= (0.3 \, \text{V}) \times (3 \, \text{A}) \\ P_D &= 0.9 \, \text{W} \end{aligned} \] Ou alternativement : \[ \begin{aligned} P_D &= I_D^2 \times R_{DS(on)} \\ P_D &= (3 \, \text{A})^2 \times (0.1 \, \Omega) \\ P_D &= (9 \, \text{A}^2) \times (0.1 \, \Omega) \\ P_D &= 0.9 \, \text{W} \end{aligned}

Résultat

La puissance dissipée par le MOSFET à l'état passant est \(P_D = 0.9 \, \text{W}\).

4. Nécessité d'un Dissipateur Thermique

Un dissipateur thermique aide à évacuer la chaleur générée par le composant pour éviter la surchauffe. La nécessité dépend de la puissance dissipée (\(P_D\)) et de la capacité du boîtier du MOSFET et de son environnement à dissiper cette chaleur (résistance thermique). L'énoncé donne une règle simplifiée : un dissipateur est nécessaire si \(P_D > 1 \, \text{W}\).

Données pour cette étape

Puissance dissipée : \(P_D = 0.9 \, \text{W}\) (calculée à l'étape 3)
Seuil de dissipation sans dissipateur : 1 W

Analyse

P_D (0.9 \, \text{W}) \le 1 \, \text{W}

La puissance dissipée (0.9 W) est inférieure ou égale au seuil de 1 W indiqué.

Conclusion

Selon la consigne simplifiée, comme \(P_D = 0.9 \, \text{W} \le 1 \, \text{W}\), un dissipateur thermique n'est **pas strictement nécessaire** dans ces conditions nominales.

Cependant, en pratique, il est souvent prudent d'ajouter un petit dissipateur ou d'utiliser une zone de cuivre élargie sur le PCB, surtout si le courant peut dépasser 3A (par exemple au démarrage du moteur) ou si la température ambiante est élevée. Une analyse plus rigoureuse impliquerait la résistance thermique jonction-ambiant (\(R_{\theta JA}\)) du MOSFET et la température ambiante maximale pour calculer la température de jonction.

5. Question de réflexion : Critères de Choix d'un MOSFET

Le choix d'un MOSFET pour la commutation de puissance dépend de plusieurs caractéristiques clés qui influencent la performance, l'efficacité et la fiabilité du circuit :

Tension maximale Drain-Source (\(V_{DS(max)}\)) : Doit être supérieure à la tension maximale appliquée dans le circuit (ici, 12V, mais souvent plus à cause des surtensions potentielles, par exemple dues à la commutation de charges inductives comme un moteur). Une marge de sécurité (ex: 20V ou plus) est essentielle.
Courant maximal Drain (\(I_{D(max)}\)) : Doit être supérieur au courant maximal attendu dans la charge (ici, 3A). Une marge est également recommandée pour gérer les pics de courant (démarrage moteur).
Résistance Drain-Source à l'état passant (\(R_{DS(on)}\)) : C'est un critère crucial pour l'efficacité. Une \(R_{DS(on)}\) faible minimise la chute de tension et la puissance dissipée (\(P_D = I_D^2 \times R_{DS(on)}\)) lorsque le MOSFET est passant. Cela réduit l'échauffement et améliore le rendement énergétique. \(R_{DS(on)}\) dépend de \(V_{GS}\), il faut donc choisir un MOSFET avec une faible \(R_{DS(on)}\) à la tension de commande disponible (ici 5V).
Tension de seuil Grille-Source (\(V_{GS(th)}\)) : Détermine la tension minimale pour commencer à activer le MOSFET. Pour une commande par microcontrôleur (3.3V ou 5V), on choisit souvent des "logic-level MOSFETs" avec un \(V_{GS(th)}\) bas (ex: 1-2V) et une \(R_{DS(on)}\) spécifiée pour \(V_{GS} = 4.5V\) ou 5V.
Capacités parasites (Ciss, Coss, Crss) et Charge de Grille (Qg) : Affectent la vitesse de commutation. Des capacités et une charge de grille faibles permettent une commutation plus rapide, réduisant les pertes de puissance pendant les transitions entre les états ON et OFF. Ceci est particulièrement important dans les applications à haute fréquence (comme les convertisseurs DC-DC), mais moins critique pour une simple commande ON/OFF de moteur.
Capacité de dissipation thermique (Boîtier, \(R_{\theta JC}\), \(R_{\theta JA}\)) : Détermine la quantité de chaleur que le composant peut évacuer. Liée à la nécessité d'un dissipateur thermique.
Robustesse (Avalanche Rating, SOA - Safe Operating Area) : Indique la capacité du MOSFET à supporter des conditions de stress (surtensions, surintensités).

En résumé, les critères essentiels pour cette application sont : \(V_{DS(max)}\) suffisant, \(I_{D(max)}\) suffisant, \(R_{DS(on)}\) la plus faible possible à la \(V_{GS}\) de commande (5V), et un \(V_{GS(th)}\) compatible avec la commande logique. La capacité thermique doit aussi être considérée par rapport à la puissance dissipée calculée.

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