Dissipation thermique d'un transistor dans un montage à inversion de polarité

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Bonjour à vous, je me permets de solliciter votre aide dans l'étude d'un circuit de protection de PCB.
Voici la bête :

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Dans ce circuit j'ai identifié tous les composants et j'ai leurs références ainsi que leurs détails de fonctionnement, sauf pour la bobine. Je ne comprends pas son rôle dans ce montage. En sortie des 2 fusibles, on tolère 2*2A donc 4A, exactement le "rated current" de la bobine. J'en déduis donc que la bobine est censée rentrer en saturation, mais est-ce le but?
Je connais le rôle fondamentale d'une bobine et son lien avec le courant, mais remplit-elle un autre rôle que celui de lisser le courant? Soulage-t-elle la diode TVS d'un surplus de courant? ou filtre-t-elle uniquement en haute fréquence, d'où les 100MHz?

Je me demande aussi à quoi peuvent bien servir les mosfet de type P, (pourquoi 2?)

Merci d'avance :slight_smile:

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Bonjour @Yolnit

L2, C8 et C9 forment un filtre passe bas en Pi

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Sauf erreur de calcul ce filtre passe bas a une fréquence de coupure de 17kHz, il doit également bien se comporter pour des fréquences bien plus élevées

Pour qu'il remplisse son rôle il est essentiel que l'inductance n'entre jamais en saturation , d'où un courant de saturation bien supérieur au courant maxi qui traverse l'inductance

La mise en parallèle des 2 Mosfets est une solution grossière pour éviter de choisir un MOSFET plus coûteux supportant la totalité du courant. Pourquoi grossière ? Parce que rien ne garantit que le courant se répartira harmonieusement entre les deux transistors , même s'ils sont de références identiques

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Merci beaucoup c'est plus clair maintenant :slight_smile:

Avez-vous une idée de pourquoi choisir un mosfet de type p plutôt qu'un n dans cette application?
Et que rajoute la mise en place d'un mosfet dans un circuit de protection?

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les 2 Mosfet P mis en // se bloqueraient si une surtension >15v apparaissait en sortie (blocage temporaire jusqu'à la fin de la surtension)

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Dans le cas ou à la place du 12V j'ai une tension bien supérieure, même si ma diode fonctionne en mode zener (càd 15V), je vais avoir une tension Vgs << Vgs_seuil et donc mon circuit pas encore commuter non?

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en fonctionnement normal la diode zener ne laissant pratiquement pas passer de courant , les grilles des 2 Mosfets P sont pratiquement à la masse

l'apparition d'un courant dans la zener D2 produit une chute de tension aux bornes de R7 qui a pour effet de réduire la tension VSG..... au point de passer en dessous du seuil ? ? (environ 1,6 V pour cette référence)

Je ne suis pas totalement à l'aise avec ce schéma qui ne me convainc pas totalement en tant que protection contre les surtensions ..... d'autres pourront donner leur analyse et apporter un autre éclairage

je me demande maintenant si l'on ne pourrait pas plutôt y voir une protection contre les inversions de polarité côté VBATT (avec une inversion en entrée VGS n'aurait pas la bonne polarité pour rendre conducteurs les 2 Mosfets P)

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peux-tu détailler ton hypothèse sur l'inversion de polarité?

Normalement la TBS s'occupe de ce soucis là avec sa casquette de composant bidirectionnel

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Ah oui je vois maintenant, effectivement ça semble plus correct de voir ce circuit dans ce sens là et non pas comme un circuit de protection contre les surtensions. Les transistors agissent comme des diodes mais avec des chutes de tensions bien plus faibles (delta Vds << Vdiode)

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Si l'on inverse la polarité de la tension appliquée en entrée le VGS n'aura pas le bon signe, la bonne polarité, pour rendre conducteur des Mosfet P, cette ouverture du circuit au niveau des Mosfets protègera ce qui est en aval.

Normalement la TBS s'occupe de ce soucis là avec sa casquette de composant bidirectionnel

Tu fais , je pense, rérérence au TVS (Transient Voltage Suppressor dont le seul rôle est d'encaisser les fortes surtensions transitoires (> 40Ven valeur absolue sur ce schéma) , il ne peut aucunement protéger vis à vis d'une inversion de polarité en entrée .

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Tu fais , je pense, rérérence au TV S (Transient Voltage Suppressor dont le seul rôle est d'encaisser les fortes surtensions transitoires (> 40Ven valeur absolue sur ce schéma) , il ne peut aucunement protéger vis à vis d'une inversion de polarité en entrée .

Oui effectivement, TVS pardon :), je me suis de nouveau renseigné sur son rôle de composant bipolaire et en effet j'avais mal compris!

Si l'on inverse la polarité de la tension appliquée en entrée le VGS n'aura pas le bon signe, la bonne polarité, pour rendre conducteur des Mosfet P , cette ouverture du circuit au niveau des Mosfets protègera ce qui est en aval.

Donc ce circuit ne protège pas mon système (ma charge) d'une élévation de la tension qui dépasserait la tension Vz de la diode? Il évite simplement un court-circuit dans le cas ou on inverse les branchement d'une batterie c'est bien ça?

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La diode transil protège des surtensions dans une certaine mesure si sa valeur est proche de la tension Vin. Sa destruction provoque la rupture du fusible et "sauve plus ou moins" l'électronique qui suit. Son but est alors d'éviter le déclenchement d'éventuel départ de feu dans les milieux sensibles.
Le montage avec MOSFET est le plus classique contre l'inversion de polarité. Il a l'avantage de ne présenter qu'une chute de tension très faible par rapport à la simple diode. Il existe une multitude de montages à partir de cette base.
Le filtre en Pi sert essentiellement pour la CEM.
@al1fch a soulevé un point important sur la mise en // des composants

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Au départ, la tension aux bornes de la zener croit en même temps que la tension de batterie moins la chute de tension dans les diodes entre drain et source des transistors.
Cette tension va croître jusqu'à ce que la tension aux bornes de la zener atteigne Vgsth (autour de 2 ou 3V). Les transistors vont alors conduire.
En admettant que la tension de la batterie ne dépasse pas 12V il ne se passera rien de plus.
Si la tension en entrée continue à croître la sortie va continuer à suivre. Lorsque la tension dépasse 15 la zener écrête la tension afin de protéger la jonction grille-source qui est limitée à 20V. La tension Vgs sera limitée à 15V et les transistors conduiront toujours.

Donc c'est un montage "diode parfaite" et la zener est là en protection contre les surtensions avant l'action du TVS.

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Bonsoir

@le_viking , @fdufnews Nous sommes d'accord. Mon impression initiale du message #4 ne tenait pas la route..... je m'en suis rendu compte juste après en tentant vainement de la démontrer :wink:

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Bonjour,

Merci pour ces explications maintenant le comprends bien le fonctionnement du circuit :slight_smile:

J'ai une dernière zone d'ombre concernant le transistor pmos. A vrai dire, on m'a toujours donné des transistors sans jamais me confronter aux critères de sélections d'un tel composant pour une application. Je souhaite m'inspirer de ce montage pour tenter de le reproduire sur breadboard mais avec des valeurs en tensions et courants différentes, par exemple 15V 1A. Je sais que je dois vérifier Vgsth, Vgs_max, Vds, Idmax mais je bloque pour tout ce qui est en rapport avec Rds_on et la puissance Pd :frowning:

J'aimerais bien éviter de griller des transistors par manque de fiabilité des calculs au départ.

Avez-vous un lien qui explique plus en détail la dissipation de puissance et la montée en température d'un transistor pour choisir un transistor correctement dimensionné?
Ou pouvez-vous m'expliquer ce qui peut être un bon transistor dans cette application là?

Merci beaucoup par avance, j'avoue que je manque clairement de pratique et de connaissances sur l'application de transistors et je souhaite pallier ce problème.

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La puissance dissipée dépend du courant qui circule dans le transistor et de Rds(on).
C'est une simple application de la loi d'Ohm.
Pour connaitre Rds(on) il faut se reporter à la datasheet où tu as toutes les informations:

  • le Rds(on) typique pour faire une estimation de puissance dissipée
  • les courbes Rds(on) en fonction de Id et de Vgs
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Il faut déjà limiter sa recherche à ce type de composant spécifiquement fabriqué pour cette application. En général le fabricant multiplie le nombre de pattes et ajout parfois un pad thermique pour améliorer le refroidissement de la puce

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Calculs thermiques.
Il existe un paramètre qui s'appelle la résistance thermique et qui s'exprime en degrés par watt.

Il existe plusieurs définitions de la résistance thermique selon que le boîtier du transistor peut ou non être équipé d'un radiateur.

  • Rth_j_case = résistance thermique entre la jonction et l'extérieur du boîtier
  • Rth_j_amb = résistance thermique entre la jonction et l'air ambiant.

La "jonction" est un point particulier d'un circuit intégré qui est utilisé pour les calculs thermiques.

Note
Rth_j_case est bien inférieure à Rth_j_amb , mais comme on l'utilise quand on met un radiateur, il ne faut pas oublier d'ajouter la Rth du radiateur.

Comment cela fonctionne ?
La valeur importante est la température maximale de jonction.
Cette valeur est donnée par le constructeur dans la datasheet.

Les calculs consistent à déterminer une élévation de température entre l'air ambiant et la jonction.

  • Si je prend un transistor avec un boîtier sans possibilité de radiateur.
  • Si son Rth_j_amb = 100 °C/w
  • Si le courant dans le transistor = 1 A
  • Si Rdson = 1 ohms
  • Si sa température de jonction max autorisée est 150°C

Alors :
La puissance à dissiper sera P = UI = R I2 = Rdson x I2 = 1 ohms x 1x1 A = 1 W
L'élévation de température sera Delta_T = 1 W x 100 °C/W = 100 °C.

Si la température ambiante est de 40°C la température de jonction sera
T_jonction = 40°C + 100°C = 140 °C
Cela passe.

Par contre, si la température ambiante est de 60 °C, cas d'une armoire métallique extérieure exposée au soleil, la température de jonction sera :
T_jonction = 60°C + 100°C = 160 °C et là, cela ne passe plus.

Si on prend un autre modèle de transistor avec un Rdson de 0,5 ohms, l'élévation de température ne sera plus que de 50 °C et la température de jonction sera
T_jonction = 60°C + 50°C = 110 °C et maintenant cela re-passe.

Il est aussi possible de jouer avec un radiateur.
Les boîtiers CMS de puissance sont plus délicats dans le sens où le radiateur est le plus souvent constitué par un plan de cuivre qui rayonne.

La solution qui est la plus souple est, à mon avis, de rechercher un Rdson faible qui a aussi l'avantage de diminuer la tension VDS de saturation.

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Je comprends mieux je me suis aussi renseigné et j'ai trouvé des détails.
Maintenant je me retrouve confronté à un problème "imprévisible", ce sont les critères de dimensionnement des transistors pmos car oui, je veux une tension Vds = 24Vmax, une intensité Idmax de 2A, un Rds_on entre 0.01 et 0.1Ohms pour éviter une valeur de Pd trop grande (0.1*2² = 0.4W) mais bon, j'ai beau chercher je ne trouve pas de constructeur capable de me fournir un transistor dimensionné pour ces valeurs là, aussi je me demande s'il n'y a pas une solution alternative soit au montage pmos + diode parfaite, soit justement, l'utilisation critiqué par viking de pmos en parallèles. Qu'en pensez-vous?

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C'est ce que je fais :slight_smile: je me tourne vers un Rds_on faible entre 10m et 100Ohms car j'ai quand même 2A maximum derrière et mon application pourrait tourner dans un milieu ambiant vers +40 45°C. Mais compliqué de trouver des Pmos +-30V (20v pas assez) pour au moins 2A, enfin j'ai du mal à en trouver (mouser, digikey et rs par exemple)

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Salut.
Le SUP90P06 est ancien, mais tient encore la route :
60V 90A Vgsth 1.0V - 3.0V 9mΩ TO-220
Avec ses 9mΩ, pour 2A, la dissipation sera de seulement 36mW.

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