Présent dans les alimentations à découpage, les cartes Arduino, les variateurs de moteur ou les convertisseurs solaires, le transistor MOSFET est devenu un interrupteur électronique incontournable. Son intérêt tient à une idée simple : commander un courant parfois élevé avec une très faible énergie de commande. Mais pour comprendre comment fonctionne un transistor MOSFET en commutation, il faut regarder ce qui se passe entre sa grille, son drain et sa source.
Le MOSFET, un interrupteur commandé par une tension
Un MOSFET, pour Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, est un transistor à effet de champ. Contrairement à un transistor bipolaire, qui se commande principalement en courant, le MOSFET se commande par une tension appliquée entre sa grille et sa source, appelée Vgs. Cette caractéristique explique son succès dans les circuits numériques et de puissance.
En commutation, le MOSFET est utilisé comme un interrupteur. Il n’est pas destiné à fonctionner dans une zone intermédiaire de manière prolongée, mais à passer rapidement d’un état bloqué à un état passant. Dans l’état bloqué, il empêche presque totalement le courant de circuler entre drain et source. Dans l’état passant, il laisse passer le courant avec une résistance très faible, appelée RDS(on).
Les trois bornes à connaître : grille, drain et source
Le fonctionnement d’un MOSFET repose sur trois électrodes. La grille, ou gate, sert à la commande. Le drain reçoit ou fournit le courant principal selon le montage. La source constitue la référence de commande pour la grille. Pour un MOSFET canal N, très courant en électronique de puissance, la tension de grille doit être positive par rapport à la source pour rendre le composant conducteur.
La grille est isolée électriquement par une fine couche d’oxyde. En pratique, elle se comporte comme un petit condensateur. Cela signifie qu’elle ne consomme presque pas de courant en régime établi, mais qu’il faut la charger et la décharger à chaque changement d’état. Cette réalité devient essentielle dès que la fréquence de commutation augmente.
État bloqué et état passant : le cœur de la commutation
Lorsque la tension Vgs est inférieure au seuil indiqué dans la fiche technique, le canal conducteur n’est pas formé. Le MOSFET est alors bloqué. Il ne laisse passer qu’un courant de fuite très faible, souvent négligeable dans les applications courantes. Attention toutefois : la tension de seuil, ou Vgs(th), ne correspond pas à une conduction efficace. Elle indique seulement le début de conduction, mesuré avec un courant très faible.
Pour obtenir un vrai état passant, il faut appliquer une tension de grille suffisante. Un MOSFET dit “logic level” peut être correctement commandé avec 3,3 V ou 5 V, ce qui le rend compatible avec des microcontrôleurs. Un MOSFET plus classique demandera souvent 10 V entre grille et source pour atteindre une faible résistance à l’état passant. Ce point doit toujours être vérifié dans la documentation du composant.
Pourquoi la résistance RDS(on) est déterminante
Quand le MOSFET est passant, il n’est pas parfait : il se comporte comme une faible résistance. La puissance perdue par conduction se calcule avec la formule P = RDS(on) × I². Si un MOSFET présente une résistance de 20 milliohms et conduit 10 A, il dissipe 2 W. À 30 A, la dissipation monte à 18 W. Le courant a donc un effet très marqué sur l’échauffement.
Cette puissance doit être évacuée par le boîtier, les pistes du circuit imprimé et parfois un dissipateur thermique. Le raisonnement est proche de celui utilisé pour évaluer l’échauffement d’un composant résistif, même si le MOSFET possède des contraintes supplémentaires liées à la commutation. Une faible RDS(on) améliore le rendement, mais elle s’accompagne souvent d’une grille plus capacitive, donc plus exigeante à piloter.
La grille : une commande simple en apparence, exigeante en pratique
Pour changer d’état, la grille doit être chargée ou déchargée. La quantité de charge nécessaire est appelée charge de grille, ou Qg. Plus elle est élevée, plus il faut de courant de commande pour commuter rapidement. Un microcontrôleur peut piloter directement un petit MOSFET à basse fréquence, mais il devient insuffisant pour un MOSFET de puissance commutant rapidement plusieurs ampères.
Dans ces cas, on utilise un driver de grille. Ce circuit fournit des impulsions de courant brèves mais importantes afin de réduire le temps de transition. Une résistance de grille est souvent ajoutée pour limiter les oscillations et contrôler la vitesse de commutation. Pour protéger la grille contre les surtensions, certains montages ajoutent une diode de limitation ; le rôle d’une protection par diode Zener est alors particulièrement pertinent, car l’oxyde de grille supporte rarement des tensions excessives.
Montage low-side, high-side et choix du canal
Le montage le plus simple est le low-side switching. La charge est reliée au positif de l’alimentation, et le MOSFET canal N est placé entre la charge et la masse. Lorsque la grille est portée à une tension suffisante par rapport à la source, le courant circule. Ce montage est fréquent pour commander des LED de puissance, des relais, des ventilateurs ou de petits moteurs à courant continu.
Le montage high-side place l’interrupteur entre l’alimentation positive et la charge. Il est parfois nécessaire pour des raisons de sécurité ou de référence électrique. Un MOSFET canal P peut simplifier la commande, mais il offre généralement une résistance plus élevée à coût équivalent. Un MOSFET canal N en high-side exige souvent un driver spécialisé, capable de porter la grille au-dessus de la tension d’alimentation. L’alimentation de ces circuits de commande doit être stable ; le principe d’un étage de tension correctement régulé reste donc important dans une conception fiable.
Les charges inductives : moteur, relais et surtensions
La commutation d’une charge résistive est relativement prévisible. Avec une charge inductive, comme un moteur, un relais ou une bobine, le comportement change. Une inductance s’oppose aux variations rapides de courant. Quand le MOSFET s’ouvre, le courant ne peut pas s’annuler instantanément, ce qui provoque une surtension parfois destructrice.
Pour éviter cela, on ajoute un chemin de recirculation du courant : diode de roue libre, diode Schottky, réseau RC, transil ou circuit d’écrêtage selon la vitesse et l’énergie en jeu. La compréhension du phénomène est directement liée au fait qu’une bobine résiste aux changements brusques de courant. Dans un pont en H ou un variateur, cette gestion devient critique, car les commutations répétées génèrent des contraintes électriques et thermiques importantes.
Pertes de commutation, rendement et bonnes pratiques
Un MOSFET idéal passerait instantanément de l’état bloqué à l’état passant. En réalité, la transition prend un temps mesurable. Pendant ce court intervalle, le composant supporte simultanément une tension importante et un courant élevé, ce qui crée des pertes de commutation. À basse fréquence, elles peuvent être faibles. À plusieurs dizaines ou centaines de kilohertz, elles deviennent parfois dominantes.
Un bon choix de MOSFET ne se résume donc pas au courant maximal annoncé en première page de la fiche technique. Il faut examiner la tension Vds admissible, la RDS(on), la charge de grille, les capacités parasites, la résistance thermique, le boîtier et la plage de température. Dans les systèmes reliés à des environnements bruyants ou à des tensions différentes, l’isolation de commande peut aussi être nécessaire ; l’usage d’une interface isolée entre commande et puissance permet de réduire certains risques de retour de défaut.
En résumé, le MOSFET en commutation fonctionne comme un interrupteur piloté par la tension de grille. Sa simplicité apparente cache des paramètres essentiels : tension de commande, résistance à l’état passant, charge de grille, échauffement, protection contre les surtensions et nature de la charge. Bien maîtrisés, ces éléments permettent de concevoir des circuits compacts, rapides et efficaces, des petits montages basse tension aux convertisseurs de puissance plus exigeants.
