Mosfet di Potenza: Come Funzionano e Schemi di Esempio

Mosfet di Potenza: Come Funzionano e Schemi di Esempio

Immaginate un mondo dove la potenza e la precisione si incontrano nella tecnologia: benvenuti nel regno dei Mosfet di potenza, pilastri fondamentali dell’elettronica moderna. Questi piccoli ma potenti dispositivi si nascondono dietro innumerevoli applicazioni, dall’industria pesante ai dispositivi che usiamo ogni giorno in casa. In questo articolo, esploreremo in dettaglio cos’è un Mosfet di potenza, come funziona e le differenze fondamentali rispetto ai BJT. Analizzeremo alcune caratteristiche principali come la tensione di soglia, la capacità del canale e il ruolo dei filtri nell’ottimizzazione delle prestazioni. Inoltre, discuteremo di schemi elettrici di riferimento che mostrano il Mosfet di potenza in azione, inclusi esempi di “ponte H”, “canale P” e configurazioni di Mosfet in parallelo.

Cosa sono i Mosfet di Potenza

I Mosfet, acronimo di “Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”, sono dei transistor a effetto di campo che usano un campo elettrico per controllare la forma e la conducibilità di un canale in un materiale semiconduttore.

Quando si parla di Mosfet di potenza si fa riferimento a dei dispositivi di questo tipo, in grado di gestire alte tensioni e correnti. Questo li rende adatti per applicazioni di elettronica di potenza, dove è necessario controllare grandi quantità di energia ed avere una commutazione efficiente. Un altro aspetto interessante di questi dispositivi è il loro breve tempo di commutazione, generalmente compreso tra poche decine e poche centinaia di microsecondi.

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Come funzionano i Mosfet di Potenza

Questi dispositivi a semiconduttore sono composti principalmente da tre terminali:

  • Gate (G)
  • Drain (D)
  • Source (S).

Il controllo avviene in tensione. Applicando una tensione adeguata al gate, si genera un campo elettrico che induce la formazione di un canale conduttivo nel semiconduttore. Anche se questo canale permette il passaggio di corrente tra il drain e il source, attraverso di esso non scorre nessuna corrente. Tranne che durante i passaggi dallo stato di chiusura a quello di apertura (e viceversa), quando la capacità di gate si carica o si scarica.

Nel momento in cui la tensione del terminale di controllo del Mosfet di potenza è inferiore al valore di soglia VGS(th), questo si comporta come un interruttore completamente chiuso. Per restare in conduzione, tra i morsetti di gate e source deve essere applicata e mantenuta una tensione di un certo valore. La resistenza di conduzione RRDS(on) del Mosfet tra i morsetti drain e source aumenta rapidamente con il valore limite della tensione di blocco del dispositivo.

Per quanto riguarda le perdite di potenza dei Mosfet di potenza, queste sono minime grazie all’elevata velocità di commutazione. La perdita media di potenza nell’interruttore dovuta alle transizioni può essere approssimata come segue:

Ps = (1/2) * Vd * Io * fs (tc(on) + tc(off))

Questo significa che il risultato varia proporzionalmente con una frequenza e con i tempi di commutazione.

Il Ruolo del Canale nel Mosfet di Potenza

Il “canale” in un Mosfet di potenza è la regione attraverso cui scorre la corrente tra il drain e il source quando il dispositivo è in stato di on. A seconda del tipo di Mosfet (N-channel o P-channel), il canale sarà composto rispettivamente da elettroni o lacune (portatori di carica positivi). La conduttività del canale è direttamente controllata dalla tensione applicata al gate. Di conseguenza, un aumento della tensione renderà il canale più conduttivo, permettendo un flusso maggiore di corrente.

Mosfet in Configurazioni di Ponte H e Parallelo

In molte applicazioni pratiche, i Mosfet di potenza sono utilizzati in configurazioni specifiche per ottenere prestazioni ottimali. Due esempi comuni sono le configurazioni di “ponte H” e “mosfet in parallelo”.

Un ponte H è un circuito elettronico che permette a un motore di essere azionato in entrambe le direzioni. Questo schema utilizza quattro Mosfet di potenza disposti in modo da formare una lettera “H”, permettendo il controllo preciso della direzione e della velocità di un motore elettrico. Questa configurazione è ampiamente usata in robotica e in sistemi di trazione per veicoli elettrici.

Si tratta di una tipologia di convertitore capace di funzionare in tutti i quattro quadranti del piano Io-Vo. La tensione e la corrente di uscita dipendono esclusivamente dallo stato degli interruttori e la potenza può fluire attraverso il convertitore nei due sensi.

Schema controllo PWM bipolare ponte H Mosfet di potenza
Schema controllo PWM bipolare ponte H Mosfet di potenza, approfondito in questo articolo

I Mosfet in parallelo vengono invece utilizzati per gestire correnti elevate. Collegando più Mosfet in parallelo, è infatti possibile distribuire il carico tra diversi dispositivi, riducendo il rischio di surriscaldamento e migliorando l’efficienza complessiva. Questa configurazione è particolarmente utile in sistemi di alimentazione ad alta potenza, dove la gestione affidabile delle correnti elevate è fondamentale.

Mosfet vs BJT di potenza

La comprensione delle differenze tra Mosfet e BJT (Bipolar Junction Transistor) è fondamentale per scegliere il componente più adatto a una specifica applicazione. Infatti, entrambi i dispositivi sono utilizzati per la commutazione e l’amplificazione di segnali in circuiti ad alta potenza, ma presentano differenze significative in termini di struttura, funzionamento e prestazioni.

Ecco una tabella che riassume quali sono le differenze principali:

Struttura e Principio di FunzionamentoEfficienza e CommutazioneApplicazioni
Mosfet di potenzaI Mosfet sono dispositivi a effetto di campo che utilizzano un gate isolato per controllare il flusso di corrente tra i terminali di drain e source. Questo approccio offre un’elevata impedenza di ingresso, riducendo il consumo di potenza sul gate.Generalmente più efficienti nei processi di commutazione ad alta frequenza rispetto ai BJT. Questo è dovuto alla loro maggiore velocità di commutazione e al minore consumo di energia nel processo di attivazione e disattivazione.Trovano impiego in una varietà di applicazioni che richiedono una commutazione efficiente ad alta frequenza, come alimentatori switching, convertitori DC-DC e motor drive.
BJT di potenzaDispositivi a giunzione bipolare che controllano il flusso di corrente tra i terminali di collettore e emettitore attraverso una corrente applicata alla base. I BJT, a differenza dei Mosfet, hanno una bassa impedenza di ingresso e tendono a consumare più corrente sulla base.Possono essere preferibili in applicazioni che richiedono un’elevata corrente continua, grazie alla loro maggiore capacità di gestione della corrente.Spesso utilizzati in applicazioni che necessitano di una robusta capacità di gestione della corrente, come amplificatori audio e alcune tipologie di alimentatori lineari.  

In sintesi, la scelta tra Mosfet e BJT dipende dalla specifica applicazione e dalle esigenze di potenza e frequenza. I Mosfet sono ideali per applicazioni ad alta efficienza e alta frequenza, mentre i BJT sono più adatti per applicazioni che richiedono una gestione solida della corrente continua.

Campi Applicativi dei Mosfet di potenza

I Mosfet di potenza, grazie alla loro versatilità e efficienza, trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni nell’ambito dell’elettronica di potenza. La loro capacità di gestire alte tensioni e correnti, combinata con una commutazione rapida e efficiente, li rende ideali per diversi settori industriali e tecnologici.
Di seguito sono elencati alcuni dei principali campi applicativi dei Mosfet di potenza:

  • Convertitori di Potenza e Alimentatori. I Mosfet di potenza sono ampiamente utilizzati in convertitori DC-DC, inverter AC-DC e alimentatori switching. La loro elevata efficienza di commutazione riduce le perdite di potenza e migliora l’efficienza energetica di questi dispositivi. In particolare, sono essenziali nei sistemi di alimentazione di computer, dispositivi mobili e apparecchiature elettroniche, dove è necessaria una conversione efficiente e affidabile dell’energia elettrica.
  • Controlli di Motori Elettrici. Nel controllo di motori elettrici, sia in applicazioni industriali che in dispositivi di consumo, i Mosfet di potenza sono usati per regolare la velocità, la direzione e la coppia dei motori. Grazie alla loro capacità di gestire rapidamente grandi correnti, sono ideali per applicazioni che richiedono una risposta dinamica rapida, come i motor drive in robotica e i sistemi di trazione nei veicoli elettrici.
  • Sistemi di Telecomunicazioni. Nei sistemi di telecomunicazioni, i Mosfet di potenza trovano applicazione nei moduli RF (Radio Frequenza) per l’amplificazione del segnale. La loro capacità di operare ad alte frequenze e la loro efficienza nel controllo del segnale li rendono essenziali per garantire trasmissioni di dati affidabili e di alta qualità.
  • Energia Rinnovabile e Sistemi Fotovoltaici. I Mosfet di potenza giocano un ruolo cruciale nei sistemi di energia rinnovabile, in particolare nei convertitori di potenza per impianti fotovoltaici e sistemi eolici. Contribuiscono all’efficienza dei convertitori che trasformano l’energia solare o eolica in energia elettrica utilizzabile, ottimizzando l’uso delle risorse rinnovabili.
  • Applicazioni Automotive. Nel settore automotive, specialmente nei veicoli elettrici e ibridi, i Mosfet di potenza sono utilizzati per gestire la potenza nei sistemi di trazione elettrica, nei sistemi di gestione della batteria e nei caricabatterie. La loro efficienza e affidabilità sono fondamentali per migliorare le prestazioni e la sicurezza dei veicoli moderni.

Un’innovazione significativa nel campo dei Mosfet di potenza è l’uso di nuovi materiali, come il carburo di silicio (SiC). I Mosfet SiC possono operare a temperature più elevate, con maggiore efficienza e minori perdite di potenza rispetto ai tradizionali Mosfet in silicio.
Questo li rende particolarmente vantaggiosi in applicazioni che richiedono alta efficienza e affidabilità, come nei sistemi di alimentazione, nei dispositivi di trasporto elettrico e nelle applicazioni industriali.

Conclusione

I Mosfet di potenza rappresentano un elemento cruciale nell’evoluzione dell’elettronica di potenza, offrendo soluzioni innovative e efficienti per la gestione e il controllo dell’energia. La loro capacità di operare con elevate tensioni e correnti, unita a una commutazione veloce e a bassa perdita, li rende ideali per sfide tecnologiche moderne, dall’automazione industriale all’elettronica di consumo, dai sistemi di energia rinnovabile ai veicoli elettrici.

Il confronto tra Mosfet di potenza e BJT ha evidenziato come i Mosfet offrano vantaggi significativi in termini di efficienza e prestazioni, soprattutto in applicazioni che richiedono alta frequenza e bassa dissipazione energetica. Inoltre, l’adozione di nuovi materiali come il SiC sta ulteriormente ampliando le possibilità di questi dispositivi, spingendo i confini dell’innovazione in elettronica di potenza.

In conclusione, i Mosfet di potenza non sono solo componenti di un sistema elettronico, ma sono i catalizzatori del progresso tecnologico. Offrono un equilibrio tra potenza, efficienza e innovazione, rendendoli indispensabili in un mondo che si muove sempre più verso soluzioni energetiche sostenibili e tecnologie avanzate. La loro continua evoluzione e applicazione aprirà nuove frontiere nell’elettronica di potenza, influenzando positivamente sia l’industria che la vita quotidiana.

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Ivan Scordato
progettista elettrico e appassionato di nuove tecnologie. Scrive articoli di approfondimento tecnico e conosce anche tecniche SEO per la scrittura su web.