Comment contrôler les IGBT et les MOSFET SiC avec précision, efficacité et protection

À mesure que les systèmes d'alimentation évoluent pour répondre aux exigences des véhicules électriques (VE), des énergies renouvelables et de l'automatisation industrielle, il devient de plus en plus difficile pour les concepteurs de trouver le bon équilibre entre efficacité, performances et sécurité. Si l'intégration de composants haute tension comme les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et les transistors à effet de champ métal-oxyde semi-conducteur (MOSFET) en carbure de silicium (SiC) est une étape essentielle pour atteindre cet équilibre, ces dispositifs nécessitent des circuits d'attaque de grille capables de fournir un contrôle précis, une commutation rapide et des mécanismes de protection robustes.

Cet article explore les défis associés à la commande des systèmes d'alimentation modernes, en mettant l'accent sur les topologies en demi-pont. Il présente ensuite des circuits d'attaque de grille et une carte d'évaluation d'Infineon Technologies qui peuvent aider à relever ces défis.

Défis de conception pour les topologies modernes en demi-pont

Les systèmes d'alimentation sont confrontés à des défis croissants à mesure que l'industrie s'oriente vers des fréquences de commutation supérieures, des tensions plus élevées et l'adoption de semi-conducteurs à large bande interdite (WBG). Si ces avancées offrent un meilleur rendement, elles imposent de fortes contraintes aux circuits d'attaque de grille.

Prenons l'exemple de la topologie en demi-pont, qui est devenue la norme dans de nombreuses applications, pour illustrer ces exigences qui ne cessent de s'intensifier. Les circuits en demi-pont sont essentiels dans les systèmes d'entraînement moteur et les chargeurs embarqués CC/CC des VE. Ils permettent un flux de puissance bidirectionnel, ce qui est crucial pendant le fonctionnement normal du moteur (flux de puissance direct) et le freinage régénératif (flux de puissance inverse). La transition vers des architectures 800 V dans les nouvelles plateformes de VE intensifie la nécessité de mécanismes d'isolement et de protection fiables tout en maintenant la précision de commutation.

Pour les systèmes d'énergies renouvelables, les conceptions en demi-pont sont fondamentales pour les onduleurs triphasés requis pour l'intégration au réseau. Les fréquences de commutation supérieures utilisées avec les IGBT et les MOSFET SiC augmentent l'efficacité, mais aggravent les problèmes de tension de mode commun sur les commutateurs haut potentiel et bas potentiel, entraînant des interférences électromagnétiques (EMI) majeures qui peuvent compromettre les performances du système et potentiellement enfreindre les normes réglementaires.

Les entraînements de moteurs industriels sont confrontés à des défis supplémentaires, notamment le maintien d'une tension de bus CC équilibrée dans les configurations à condensateurs auxiliaires. L'adoption de conceptions plus compactes et à plus haute densité de puissance augmente les difficultés de gestion thermique et les problèmes de bruit électrique.

Dans toutes ces applications, les concepteurs ont besoin de solutions de circuits d'attaque de grille qui offrent un contrôle précis, des capacités de commutation rapides et des fonctionnalités de protection complètes, tout en fournissant un isolement robuste entre les circuits haute et basse tension.

Un circuit d'attaque de grille à deux canaux conçu pour les IGBT et les MOSFET

La série EiceDRIVER 2ED314xMC12L d'Infineon Technologies (Figure 1) relève ces défis grâce à une conception à deux canaux conçue pour contrôler les IGBT et les MOSFET. Tous les dispositifs de la série offrent un fonctionnement de canal indépendant avec contrôle du temps de récupération (DTC) pour permettre au dispositif 2ED314xMC12L de fonctionner comme un circuit d'attaque bas potentiel à deux canaux, un circuit d'attaque haut potentiel à deux canaux ou un circuit d'attaque de grille en demi-pont.

Figure 1 : La série 2ED314xMC12L se caractérise par un fonctionnement de canal indépendant avec DTC, ce qui permet aux dispositifs de fonctionner comme des circuits d'attaque bas potentiel à deux canaux, des circuits d'attaque haut potentiel à deux canaux ou des circuits d'attaque de grille en demi-pont. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Dans une configuration en demi-pont, l'architecture à deux canaux permet à un seul circuit intégré d'attaque de grille de contrôler efficacement les commutateurs haut potentiel et bas potentiel. Cette intégration simplifie la configuration du circuit imprimé, réduit le nombre de composants et prend en charge des caractéristiques de temporisation adaptées entre les canaux, ce qui est essentiel pour maintenir un contrôle correct du temps de récupération et éviter les courants « shoot-through ».

Un avantage clé de la série 2ED314xMC12L est son isolation galvanique avec technologie de transformateur sans noyau. Cette approche permet une transmission rapide des signaux avec une haute immunité aux EMI, ce qui est essentiel dans les environnements électriquement bruyants comme les VE.

La capacité d'isolement est certifiée selon les normes UL 1577, fournissant 6,84 kV_RMS pendant 1 seconde et 5,7 kV_RMS pendant 1 minute. Ce niveau d'isolement élevé est primordial pour assurer une protection contre les transitoires haute tension dans les applications telles que les systèmes d'énergies renouvelables, où les onduleurs raccordés au réseau doivent résister à des surtensions à l'échelle du réseau.

Commutation haute puissance et haute précision

La série 2ED314xMC12L affiche de bonnes performances sur plusieurs points de référence pertinents, à commencer par son courant de sortie de crête de 6,5 A. Ce niveau de sortie élevé est particulièrement intéressant pour les MOSFET SiC, qui requièrent des signaux d'attaque de grille puissants pour une commutation efficace.

Autre caractéristique clé : un temps de propagation de 39 ns, qui permet une temporisation précise. Il s'agit d'un facteur important pour les applications telles que l'automatisation industrielle, où la vitesse du moteur et le contrôle du couple dépendent d'une commutation haute précision.

Avec une faible différence de temps de propagation entre les composants de 8 ns maximum, lors de l'utilisation de plusieurs circuits intégrés d'attaque, comme dans un entraînement moteur triphasé, les différences de temporisation entre les composants seront minimes. Une différence de temps de propagation encore plus faible entre les canaux de 5 ns maximum permet d'éviter les courants shoot-through entre les commutateurs pour chaque demi-pont.

Enfin, une immunité transitoire en mode commun (CMTI) de plus de 200 kV/µs permet d'éviter les faux déclenchements dus aux surtensions transitoires. Dans les applications d'énergies renouvelables, par exemple, une immunité aux transitoires élevée permet un fonctionnement stable lors des fluctuations du réseau et des changements soudains du flux de puissance.

Des fonctionnalités fiables pour un fonctionnement stable

La série 2ED314xMC12L intègre de nombreuses fonctionnalités de protection pour garantir un fonctionnement fiable dans les applications de puissance exigeantes. Chaque fonctionnalité répond à des préoccupations spécifiques en termes de fiabilité qui se posent dans les environnements de commutation haute tension.

Les protections nécessaires sont l'arrêt actif et le blocage en cas de court-circuit. Ces mécanismes protègent contre les courants shoot-through dans les configurations en demi-pont où les deux commutateurs de puissance sont superposés entre la tension de bus CC. Si les deux commutateurs devaient s'activer simultanément, le court-circuit qui en résulterait pourrait endommager des composants ou arrêter le système.

Une autre fonctionnalité notable est la protection par verrouillage en cas de sous-tension (UVLO), qui crée une « plage neutre » d'hystérésis où l'état reste stable malgré de petites fluctuations de tension, empêchant ainsi l'oscillation au seuil. Dans les systèmes d'énergie solaire, par exemple, la fonction UVLO fournit un fonctionnement stable dans des conditions partiellement nuageuses, évitant ainsi des perturbations inutiles. Certaines variantes offrent une protection UVLO entre 8,5 V et 9,3 V, tandis que d'autres assurent une protection entre 12,5 V et 13,6 V.

Il existe également des options avec une broche d'activation, ce qui ajoute un niveau de contrôle supplémentaire pour les situations d'arrêt d'urgence. Dans ces variantes, chaque broche d'entrée numérique inclut une résistance d'excursion basse, ce qui garantit que si une broche est dessoudée ou déconnectée, elle passe par défaut à un état sûr avec le canal désactivé. Cette fonctionnalité est particulièrement utile dans les applications haute fiabilité où l'intégrité du système doit être maintenue même en cas de pannes inattendues.

Des variantes avec broches de désactivation sont disponibles pour les applications qui privilégient une plus basse consommation de courant et un contrôle simplifié. Ces modèles permettent au circuit d'attaque de grille de rester actif par défaut, ce qui réduit la consommation en veille et simplifie la conception du système.

Les exemples d'options disponibles incluent le 2ED3140MC12L, qui offre une fonction UVLO avec hystérésis entre 8,5 V et 9,3 V, ainsi qu'une broche de désactivation. Le 2ED3146MC12L, quant à lui, fournit une fonction UVLO entre 12,5 V et 13,6 V et une broche d'activation.

Conditionnement efficace et fiable

La série est proposée dans un boîtier PG-DSO-14-71 (Figure 2). Ce boîtier à montage en surface mesure 10,3 mm x 7,5 mm, des dimensions particulièrement compactes pour un circuit d'attaque à deux canaux haute puissance. Dans les applications de VE, ce boîtier permet de gagner un espace précieux dans le groupe motopropulseur.

Figure 2 : La série 2ED314xMC12L est proposée dans un boîtier PG-DSO-14-71 compact. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Malgré leur format compact, toutes les variantes offrent un espacement suffisant pour garantir un fonctionnement sûr : 8 mm d'entrée à sortie et 3,3 mm entre les canaux pour les distances de fuite en surface et de dégagement. Ces dimensions répondent aux exigences d'isolement tout en conservant le facteur de forme compact nécessaire dans les conceptions à espace restreint.

Démarrage rapide avec une carte d'évaluation

Pour simplifier les tests et le développement, Infineon Technologies propose la carte d'évaluation EVAL-2ED3146MC12L (Figure 3). Cette carte en demi-pont est conçue pour présenter les fonctionnalités et les capacités du circuit intégré d'attaque de grille isolé 2ED3146MC12L.

Figure 3 : La carte d'évaluation EVAL-2ED3146MC12L fournit une configuration en demi-pont pour évaluer le 2ED3146MC12L. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Outre le circuit d'attaque de grille, la carte d'évaluation inclut deux MOSFET à tranchées CoolSiC IMZA120R020M1HXKSA1 d'Infineon Technologies, ainsi qu'un circuit d'attaque de transformateur 2EP130R d'Infineon Technologies pour l'alimentation embarquée. Ces composants sont adaptés à des fins d'évaluation et constituent un choix pratique pour des conceptions réelles.

Les MOSFET SiC ont une valeur de tension drain-source de 1200 V, ce qui est largement suffisant pour permettre au 2ED314xMC12L de commander des dispositifs de puissance de 600 V à 2300 V. Les exigences de tension de commande de grille de 18 V de ces MOSFET sont facilement prises en charge par la tension d'alimentation de sortie maximale absolue de 35 V du 2ED314xMC12L. La faible résistance à l'état passant des MOSFET, de 19 mΩ à +25°C, réduit les pertes par conduction.

Avec une capacité de dissipation de puissance maximum de 375 W à +25°C et une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +175°C, ces MOSFET répondent aux exigences des applications d'électronique de puissance hautes performances. Le temps de propagation rapide de 39 ns et la valeur CMTI élevée > 200 kV/μs du circuit d'attaque de grille permettent une commutation haute fréquence efficace tout en maintenant un fonctionnement fiable sur toute la plage de températures des MOSFET.

Le circuit d'attaque de transformateur 2EP130R complète le circuit d'attaque de grille avec sa large gamme de fréquences de commutation de 50 kHz à 695 kHz, fonctionnant de concert avec le temps de propagation rapide du 2ED3146MC12L. Le réglage du rapport cyclique haute précision du circuit d'attaque de transformateur (10 % à 50 %) s'associe bien aux caractéristiques de temporisation précises du circuit d'attaque de grille, une combinaison cruciale pour maintenir un temps de récupération optimal dans les configurations en demi-pont.

Conclusion

La série EiceDRIVER 2ED314xMC12L d'Infineon Technologies permet de concilier l'efficacité, les performances et les fonctionnalités de sécurité nécessaires aux applications haute tension dans les véhicules électriques, les énergies renouvelables et l'automatisation industrielle. Son boîtier PG-DSO-14-71 compact est compatible avec les conceptions à espace restreint, tandis que la carte d'évaluation EVAL-2ED3146MC12L-SiC permet d'effectuer des tests rapides.