Un HEXFET è un tipo di MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) progettato per applicazioni che richiedono alta efficienza e rapida commutazione. I MOSFET sono semiconduttori che controllano il flusso di corrente attraverso un canale tra due terminali, chiamati drain e source, mediante la tensione applicata su un terzo terminale chiamato gate (porta). Ecco una spiegazione dettagliata su come funziona un HEXFET:
Nella immagine sopra un esempio di Hexfet in contenitore TO-220, nello specifico un IRF540 con le seguenti caratteristiche tecniche:
Tipo montaggio: Through Hole (THD)
Package/involucro: TO-220-3
Polarità transistor: N-Channel
Vds – Tensione di rottura drain-source: 100 V
Id – corrente di drain continua: 30 A
Rds On – Drain-source sulla resistenza: 77 mOhms
Vgs – Tensione gate-source: – 20 V, + 20 V
Temperatura di lavoro minima: – 55 C
Temperatura di lavoro massima: + 175 C
Pd – Dissipazione di potenza: 85 W
Tempo di caduta: 20 ns
Altezza: 9.15 mm
Lunghezza: 10.4 mm
Tempo di salita: 45 ns
Ritardo di spegnimento tipico: 50 ns
Tipico ritardo di accensione: 60 ns
Struttura del semiconduttore HEXFET
Un HEXFET ha una struttura simile a quella dei MOSFET convenzionali, ma con miglioramenti specifici per ottimizzare la commutazione rapida e ridurre le perdite. La sua struttura comprende:
Gate: Il terminale di controllo. La tensione applicata qui determina se il canale tra drain e source è conduttivo o meno. Drain: Il terminale attraverso cui entra la corrente. Source: Il terminale attraverso cui esce la corrente.
Strato di ossido: Un sottile strato di ossido di silicio che isola elettricamente il gate dal canale.
Canale N o P: Un canale conduttivo che si forma tra drain e source quando il MOSFET è in stato di conduzione.
Il funzionamento di un HEXFET può essere spiegato attraverso le fasi di accensione e spegnimento del dispositivo: Accensione (On-State): Quando una tensione positiva (per un MOSFET a canale N) viene applicata al gate rispetto al source, si crea un campo elettrico che attira elettroni verso il gate, formando un canale conduttivo tra drain e source. Questo permette alla corrente di fluire liberamente attraverso il dispositivo. L’ampiezza della tensione sul gate controlla la resistenza del canale, e quindi la quantità di corrente che può fluire. Spegnimento (Off-State): Quando la tensione sul gate viene rimossa o resa negativa, il campo elettrico scompare, interrompendo il canale conduttivo. Questo arresta il flusso di corrente tra drain e source, mettendo il MOSFET in stato di spegnimento.
Caratteristiche e vantaggi di un HEXFET
Gli HEXFET sono progettati per avere varie caratteristiche che li rendono adatti per applicazioni ad alta efficienza e commutazione rapida: Bassa resistenza di conduzione (Rds-on): Minimizza le perdite di potenza quando il dispositivo è in stato di accensione. In certi casi si parla di solo qualche milliohm di resistenza di chiusura. Alta velocità di commutazione: Consente rapidi passaggi tra stati di accensione e spegnimento, migliorando l’efficienza in applicazioni di commutazione ad alta frequenza. Bassa carica di gate: Riduce l’energia necessaria per commutare il dispositivo, migliorando l’efficienza energetica complessiva. Questo dato è ininfluente quando le commutazioni sono lente (poche centinaia di Hertz), ma diventa determinante ad alta velocità in quanto la capacità parassita presente tra il gate ed il source rappresenta un carico per il driver che deve pilotare l’Hexfet. Non solo, se la commutazione non avviene con un fronte rapido e ben definito, aumenta la potenza dissipata dal finale Hexfet. Robustezza e affidabilità: Progettati per resistere a condizioni operative difficili, inclusi alti picchi di corrente e tensione.
Applicazioni di un semiconduttore HEXFET
Grazie alle loro caratteristiche, i semiconduttori HEXFET sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni, tra cui:
Convertitori di potenza: Per la conversione efficiente di energia elettrica. Inverter fotovoltaici: Per convertire la corrente continua (DC) generata dai pannelli solari in corrente alternata (AC). Pilotaggio motori elettrici: Per il controllo preciso e efficiente dei motori elettrici. Alimentatori a commutazione: Per la regolazione della tensione e della corrente in vari dispositivi elettronici. Amplificatori audio: per la realizzazione di amplificatori lineari BF ed anche per amplificatori in classe D. Gli HEXFET rappresentano una classe avanzata di MOSFET progettati per offrire alta efficienza, rapida commutazione e robustezza, rendendoli ideali per una vasta gamma di applicazioni elettroniche e di potenza.
Teoria, applicazione pratica base di un semiconduttore HEXFET
Per capire il funzionamento, immaginiamo di sostituire un normale transistor NPN impiegato per accendere un carico elettrico resistivo con un Hexfet a canale N.
Il transistor NPN avrà il terminate emettitore collegato a massa. Il terminale collettore collegato al carico resistivo ed il carico connesso al positivo di alimentazione. Il terminale base sarà controllato da una tensione positiva attraverso una resistenza di polarizzazione e limitazione di corrente sulla base.
Il semiconduttore Hexfet sarà collegato in questo modo: terminale S al posto dell’emettitore del transistor (quindi alla massa). Terminale drain collegato al posto del collettore (quindi sul carico). Terminale gate collegato al posto della base (controllo).
La differenza principale sta nel pilotaggio, il transistor ha necessità di assorbire corrente dalla base (una frazione della corrente del carico e dipendente dal guadagno del transistor stesso) e la sua tensione di base rispetto all’emettitore sarà di circa 0,7V. L’Hexfet invece, non assorbirà alcuna corrente dal gate, ma necessita di almeno 4,5 – 5Vcc per potersi portare in conduzione.
In realtà (vedere sempre il datasheet del produttore) per poter avere una bassissima RDSon l’Hexfet necessita di 10-12Vcc sul gate rispetto al source, questo consente di avere un interruttore a stato solido con bassissima dissipazione termica, nell’esempio del modello IRF540 che abbiamo visto sopra (in foto) avremmo una dissipazione teorica data da P=R x I x I quindi, sempre a livello teorico, se ipotizziamo una corrente del carico di 1 Ampere, avremmo una dissipazione termica di soli:
0,077 x 1 x 1 = 0,077 Watt
Se la resistenza di chiusura (RDSon) fosse di 150 mOhm, si avrebbe la seguente potenza dissipata:
0,15 x 1 x 1 = 0,15 Watt
Con il diminuire della tensione di pilotaggio del gate – in particolare all’avvicinarsi della soglia dei 4,2V – si avrà un aumento non lineare della RDSon, per questo motivo in fase di progettazione è necessario controllare i grafici presenti nei datasheet dei produttori del semiconduttore.
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