Sélectionner des circuits d'attaque pour des dispositifs de puissance

Chaque dispositif de puissance de commutation discret a besoin d'un circuit d'attaque, qu'il s'agisse d'un transistor à effet de champ métal-oxyde semi-conducteur (MOSFET) en silicium discret, d'un MOSFET en carbure de silicium (SiC), d'un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) ou d'un module. Le circuit d'attaque est le composant d'interface ou le « pont » entre la sortie basse tension et basse intensité du processeur système fonctionnant dans un scénario contrôlé et inoffensif et le monde rude du dispositif de commutation avec ses exigences strictes de courant, de tension et de temporisation.

La sélection du circuit d'attaque approprié pour le dispositif de commutation est un défi pour les concepteurs en raison des particularités du dispositif de puissance et des parasites inévitables dans le circuit et la configuration. Il faut évaluer avec soin les paramètres du type de commutateur (silicium (Si) ou carbure de silicium (SiC)) et de l'application. Les fabricants de dispositifs de puissance suggèrent et proposent même souvent des circuits d'attaque adaptés, mais certains facteurs liés aux circuits d'attaque doivent être ajustés aux spécificités de l'application.

Bien qu'il existe une procédure logique de base à suivre dans la plupart des cas, certains paramètres, tels que la valeur de la résistance d'attaque de grille, sont déterminés par une analyse itérative et doivent être vérifiés par des tests et des évaluations pratiques. Ces étapes peuvent s'ajouter à un processus déjà complexe et ralentir une conception sans instructions claires.

Cet article aborde brièvement le rôle du circuit d'attaque de grille. Il fournit ensuite un guide pour la sélection d'un circuit d'attaque et les étapes nécessaires pour garantir la compatibilité avec le dispositif de commutation de puissance choisi. Il présente des exemples de dispositifs haute et basse puissance d'Infineon Technologies AG pour illustrer les points clés, ainsi que des cartes et kits d'évaluation associés.

Rôle du circuit d'attaque de grille

En termes simples, un circuit d'attaque de grille est un amplificateur de puissance qui accepte une entrée basse puissance de faible niveau d'un circuit intégré de contrôleur (généralement un processeur) et produit l'attaque de grille à fort courant appropriée à la tension nécessaire pour activer et désactiver le dispositif de puissance. Derrière cette définition simple se cache un monde complexe de tension, de courant, de vitesses de balayage, de parasites, de transitoires et de protection, entre autres problèmes. Le circuit d'attaque doit répondre aux besoins du système et commander le commutateur de puissance avec précision, sans dépassement ni oscillation, même si les parasites et les transitoires deviennent de plus en plus difficiles à gérer à mesure que les vitesses de commutation augmentent.

Les circuits d'attaque peuvent être utilisés dans différentes configurations. Les plus courantes incluent le circuit d'attaque simple bas potentiel, le circuit d'attaque simple haut potentiel et le circuit d'attaque double haut potentiel/bas potentiel.

Dans le premier cas, le dispositif de puissance (commutateur) est connecté entre la charge et la masse, tandis que la charge est entre le rail d'alimentation et le commutateur (Figure 1). (Notez que cette masse devrait plus correctement être appelée « connexion commune » car il n'y a pas de véritable terre, mais il s'agit plutôt d'un point de circuit commun qui définit le point 0 volt (V)).

Figure 1 : Dans la configuration bas potentiel, le circuit d'attaque et le commutateur sont placés entre la charge et la masse du circuit. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Dans la configuration haut potentiel complémentaire, le commutateur est directement connecté au rail d'alimentation, tandis que la charge se situe entre le commutateur et la masse (Figure 2).

Figure 2 : La configuration haut potentiel inverse l'emplacement du commutateur par rapport à la charge et au rail d'alimentation. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Une autre topologie largement utilisée est le couplage haut potentiel/bas potentiel utilisé pour commander deux commutateurs connectés en pont (Figure 3).

Figure 3 : Dans le couplage haut potentiel/bas potentiel combiné, deux commutateurs sont commandés en alternance, avec la charge placée entre eux. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Qu'en est-il de l'isolation ?

La configuration haut/bas nécessite l'ajout de deux fonctions de circuit, illustrées à la Figure 4 :

Figure 4 : La configuration haut potentiel/bas potentiel requiert également une alimentation flottante pour le haut potentiel et un dispositif de décalage de niveau pour le signal de commande. (Source de l'image : Talema Group)

Le circuit d'attaque supérieur (haut potentiel) et le dispositif de commutation sont « flottants » sans référence à la masse, ce qui entraîne une autre exigence dans de nombreux arrangements de circuit d'attaque de grille/commutateur de puissance : la nécessité d'une isolation galvanique (ohmique) entre la fonction de circuit d'attaque et le commutateur commandé.

L'isolation signifie qu'il n'y a pas de chemin électrique pour la circulation du courant entre les deux côtés de la barrière galvanique, mais que les informations de signaux doivent quand même la traverser. Cette isolation peut être réalisée à l'aide de photocoupleurs, de transformateurs ou de condensateurs.

L'isolation électrique entre les différents circuits fonctionnels d'un système empêche un chemin de conduction direct entre eux, permettant ainsi aux circuits individuels de posséder des potentiels de masse différents. La barrière doit résister à la pleine tension de rail (plus une marge de sécurité), qui peut s'étendre de quelques dizaines à plusieurs milliers de volts. De par leur conception, la plupart des isolateurs répondent facilement à l'exigence de plusieurs milliers de volts et plus.

Alors que les circuits d'attaque de grille haut potentiel peuvent nécessiter une isolation pour garantir un fonctionnement correct en fonction de la topologie spécifique, les circuits d'attaque de grille pour les onduleurs et convertisseurs de puissance nécessitent souvent une isolation électrique à des fins de sécurité sans rapport avec le statut de leur « masse ». L'isolation est exigée par les organismes de réglementation et de certification de sécurité pour prévenir les risques d'électrocution en garantissant qu'une haute tension ne peut littéralement pas atteindre un utilisateur. Elle protège également l'électronique basse tension de tout dommage dû à des défauts sur le circuit haute tension et à une erreur humaine du côté commande.

De nombreuses configurations de dispositifs de puissance nécessitent un circuit d'attaque de grille isolé. Par exemple, il existe des commutateurs haut et bas dans les topologies de convertisseur de puissance telles que demi-pont, pont complet, abaisseur, direct à deux commutateurs et direct à blocage actif, car les circuits d'attaque bas potentiel ne peuvent pas être utilisés pour commander directement le dispositif de puissance supérieure.

Les dispositifs de puissance supérieurs requièrent un circuit d'attaque de grille isolé et des signaux « flottants » car ils n'ont aucune connexion au potentiel de masse ; s'ils en avaient une, ils court-circuiteraient leur circuit d'attaque complémentaire et leur commutateur de puissance. En raison de cette exigence, et grâce aux avancées technologiques, il existe des circuits d'attaque de grille qui intègrent également une isolation, éliminant ainsi le recours à des dispositifs d'isolation séparés. Cela simplifie la configuration haute tension tout en permettant de répondre plus facilement aux exigences réglementaires.

Adapter la relation circuit d'attaque-dispositif de commutation

Les circuits intégrés d'attaque de grille doivent prendre en charge les vitesses de commutation élevées des MOSFET SiC, qui peuvent atteindre une vitesse de balayage de 50 kilovolts par microseconde (kV/µs) ou plus et peuvent commuter à plus de 100 kilohertz (kHz). Les dispositifs Si sont commandés avec une tension typique de 12 V pour l'activation et utilisent 0 V pour la désactivation.

Contrairement aux dispositifs Si, les MOSFET SiC ont généralement besoin de +15 V à +20 V pour l'activation et de -5 V à 0 V pour la désactivation. C'est pourquoi ils peuvent avoir besoin d'un circuit intégré d'attaque avec deux entrées, une pour la tension d'activation et une pour la tension de désactivation. Les MOSFET SiC présentent une faible résistance à l'état passant uniquement lorsqu'ils sont commandés par une tension grille-source (V_gs) recommandée de 18 V à 20 V, ce qui est nettement supérieur à la valeur V_gs de 10 V à 15 V nécessaire pour commander des MOSFET Si ou des IGBT.

Une autre différence entre Si et SiC est que la charge de recouvrement inverse (Q_rr) de la diode de substrat intrinsèque « de roue libre » du dispositif SiC est assez faible. Une attaque de grille à fort courant est nécessaire pour fournir rapidement la pleine charge de grille requise (Q_g).

Il est essentiel d'établir la relation correcte entre le circuit d'attaque de grille et la grille du dispositif de commutation. Une étape essentielle ici consiste à déterminer la valeur optimale de la résistance de grille externe, notée R_G,ext, entre le circuit d'attaque et le dispositif de commutation (Figure 5). Il existe également une résistance de grille interne au sein du dispositif de puissance, désignée par R_G,int, qui est en série avec la résistance externe, mais l'utilisateur n'a aucun contrôle sur cette valeur, même si elle reste importante.

Figure 5 : Il est essentiel de déterminer la valeur correcte de la résistance de grille externe entre le circuit d'attaque et le dispositif de puissance afin d'optimiser les performances de la paire. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

La détermination de cette valeur de résistance est un processus en quatre étapes qui implique généralement une itération, car certains aspects des performances de la paire doivent être évalués après analyse et modélisation. En bref, la procédure générale est la suivante :

Étape 1 : Déterminer le courant de crête (I_g) en fonction des valeurs figurant dans la fiche technique et sélectionner un circuit d'attaque de grille approprié.

Étape 2 : Calculer la valeur de la résistance de grille externe (R_G,ext) en fonction de l'excursion de tension de grille de l'application.

Étape 3 : Calculer la dissipation de puissance (P_D) attendue du circuit intégré d'attaque de grille et de la résistance de grille externe.

Étape 4 : Valider les calculs pour déterminer si le circuit d'attaque est suffisamment puissant pour commander le transistor et si la dissipation de puissance est dans les limites autorisées :

1. Vérifier l'absence d'événements d'activation parasites déclenchés par les transitoires dv/dt dans les conditions les plus défavorables.
2. Mesurer la température du circuit intégré d'attaque de grille pendant un fonctionnement en régime permanent.
3. Calculer la puissance de crête de la résistance et la vérifier par rapport à sa caractéristique d'impulsion isolée.

Ces mesures confirmeront si les hypothèses et les calculs aboutissent à un comportement de commutation sûr (aucune oscillation, temporisation correcte) du MOSFET SiC. Sinon, le concepteur doit répéter les étapes 1 à 4 avec une valeur ajustée pour la résistance de grille externe.

Comme pour presque toutes les décisions d'ingénierie, il existe des compromis entre plusieurs facteurs de performances lors de la sélection de la valeur d'un composant. Par exemple, si des oscillations se produisent, la modification de la valeur de la résistance de grille peut les éliminer. L'augmentation de sa valeur réduira la vitesse de balayage de dv/dt, car la vitesse du transistor ralentira. Une valeur de résistance inférieure entraînera une commutation plus rapide du dispositif SiC, conduisant à des transitoires dv/dt plus élevés.

L'impact plus large de l'augmentation ou de la diminution de la valeur de la résistance de grille externe sur les considérations de performances critiques du circuit d'attaque de grille est illustré à la Figure 6.

Figure 6 : L'augmentation ou la diminution de la valeur de la résistance de grille externe ayant un impact sur de nombreux attributs de performances, les concepteurs doivent donc évaluer les compromis. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Compromis inutiles

Même si les compromis font partie de la conception d'un système, l'utilisation des composants appropriés peut les réduire considérablement. Par exemple, les circuits intégrés d'attaque de grille EiceDRIVER d'Infineon offrent un haut rendement énergétique, une haute immunité au bruit et une haute robustesse. De plus, ils sont faciles à utiliser grâce à des fonctionnalités telles que : protection rapide contre les courts-circuits, protection et détection des défauts de désaturation (DESAT), blocage Miller actif, contrôle de la vitesse de balayage, protection shoot-through, protection contre les défaillances, les arrêts et les surintensités, et configurabilité numérique I²C.

Les circuits d'attaque sont bien adaptés aux dispositifs de puissance silicium et à large bande interdite. Ils s'étendent des circuits d'attaque bas potentiel non isolés à faible puissance et basse tension aux dispositifs kilovolts/kilowatts (kV/kW) isolés. Des circuits d'attaque doubles et multicanaux sont également disponibles, offrant une bonne option dans certaines situations.

Circuit d'attaque de grille bas potentiel de 25 V

Dans la gamme de dispositifs, le 1ED44176N01FXUMA1 est un circuit d'attaque de grille bas potentiel de 25 V en boîtier DS-O8 (Figure 7). Ce circuit d'attaque de grille non inverseur IGBT et MOSFET de puissance basse tension est doté de technologies CMOS propriétaires à l'épreuve des blocages qui permettent sa construction monolithique robuste. L'entrée logique est compatible avec les sorties LSTTL ou CMOS standard de 3,3 V, 5 V et 15 V et inclut des entrées à déclenchement de Schmitt pour minimiser les déclenchements de signaux erronés, tandis que le circuit d'attaque de sortie comporte un étage de tampon de courant. Il peut commander des dispositifs de 50 ampères (A)/650 V jusqu'à 50 kHz et il cible les infrastructures et les appareils électroménagers à alimentation CA, tels que les pompes à chaleur.

Figure 7 : Le 1ED44176N01FXUMA1 est un circuit d'attaque de grille miniature en boîtier DS-O8 pour les applications à tension/puissance plus faible, et il doté de technologies CMOS propriétaires à l'épreuve des blocages. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Les spécifications clés du 1ED44176N01FXUMA1 incluent un courant pulsé de court-circuit sortie-source typique (impulsion < 10 µs) de 0,8 A à 0 V, tandis que le courant pulsé de court-circuit de sortie-absorption est de 1,75 A à 15 V. Les spécifications dynamiques critiques incluent un temps d'activation et de désactivation de 50 nanosecondes (ns) (typique)/95 ns (maximum), tandis que le temps de montée d'activation est de 50/80 ns (typique/maximum) et le temps de descente de désactivation est de 25/35 ns (typique/maximum).

La connexion du 1ED44176N01F est relativement simple, avec une broche pour la détection de la protection contre les surintensités (OCP) et une sortie d'état FAULT (Figure 8). Il y a également une broche dédiée pour programmer le temps d'élimination des défauts. La broche EN/FLT doit être à l'état haut pour fournir un fonctionnement normal. Si elle est à l'état bas, le circuit d'attaque est désactivé. Les circuits internes sur la broche V_CC fournissent une protection de verrouillage en cas de sous-tension qui maintient la sortie à l'état bas jusqu'à ce que la tension d'alimentation V_CC soit de nouveau dans la plage de fonctionnement requise. Des masses logiques et de puissance séparées améliorent l'immunité au bruit.

Figure 8 : Avec seulement huit broches, le circuit d'attaque de grille 1ED44176N01F est relativement facile à connecter au processeur et au dispositif de puissance. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Bien que la connexion soit relativement simple, les utilisateurs de ce circuit d'attaque de grille et de son dispositif de puissance associé peuvent bénéficier de la carte d'évaluation EVAL1ED44176N01FTOBO1 (Figure 9). Grâce à cette carte, les concepteurs peuvent sélectionner et évaluer la résistance shunt de détection du courant (R_CS), le filtre RC (résistance et condensateur) pour la protection contre la surintensité et les courts-circuits, et le condensateur de temps d'élimination des défauts.

Figure 9 : La carte d'évaluation EVAL1ED44176N01FTOBO1 permet aux concepteurs de définir et de mesurer les points de fonctionnement clés du circuit d'attaque de grille avec un dispositif de commutation associé. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Circuit d'attaque de grille MOSFET SiC haute tension

Le 1EDI3031ASXUMA1, un circuit d'attaque de grille MOSFET SiC 12 A monocanal isolé, répertorié à 5700 V_RMS, (Figure 10) se situe à un niveau de tension beaucoup plus élevé que celui du circuit d'attaque de grille d'appareils électroménagers CA et de ses dispositifs de puissance. Ce circuit d'attaque est un dispositif haute tension conçu pour les entraînements de moteurs automobiles de plus de 5 kW, prenant en charge les MOSFET SiC de 400 V, 600 V et 1200 V.

Figure 10 : L'EDI3031AS est un circuit d'attaque de grille MOSFET SiC 12 A monocanal isolé, conçu pour les entraînements de moteurs automobiles de plus de 5 kW. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Le dispositif utilise la technologie de transformateur sans noyau (CT) d'Infineon pour implémenter une isolation galvanique (Figure 11).

Figure 11 : Un transformateur sans noyau propriétaire est utilisé pour fournir une isolation galvanique ; représenté (à gauche) et tel que construit (à droite). (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Cette technologie présente plusieurs fonctionnalités. Elle permet de grandes excursions de tension de ±2300 V ou plus, offre une immunité contre les transitoires négatifs et positifs, et présente de faibles pertes de puissance. De plus, elle permet un transfert des signaux extrêmement robuste, indépendant du bruit de mode commun et prend en charge l'immunité transitoire en mode commun (CMTI) jusqu'à 300 V/ns. Son adaptation étroite du temps de propagation offre une tolérance et une robustesse sans variations dues au vieillissement, au courant et à la température.

Le circuit d'attaque 1EDI3031ASXUMA1 prend en charge les MOSFET SiC jusqu'à 1200 V, avec une sortie rail-à-rail avec un courant de crête de 12 A et un temps de propagation typique de 60 ns. Il présente une immunité transitoire en mode commun jusqu'à 150 V/ns à 1000 V, et son blocage Miller actif intégré de 10 A prend en charge la commutation unipolaire.

Ce circuit d'attaque particulier cible les onduleurs de traction pour les véhicules électriques (VE), les VE hybrides (VEH) et les onduleurs auxiliaires pour les deux. Pour cette raison, il intègre plusieurs fonctionnalités de sécurité pour prendre en charge les classifications ASIL B(D), ainsi que la validation du produit conformément à AEC-Q100. Ces fonctionnalités incluent : redondance DESAT et OCP, surveillance des grilles et des étages de sortie, protection shoot-through, surveillance de l'alimentation primaire et secondaire, et supervision interne. L'isolation de base de 8 kV est conforme à VDE V 0884-11:2017-01 et classifiée UL 1577.

En raison de son niveau de puissance et pour répondre aux exigences automobiles, le circuit d'attaque 1EDI3031ASXUMA1 est bien plus qu'un dispositif puissant mais « passif ». En plus de toutes ses fonctionnalités de sécurité, il implémente un diagramme d'état pour garantir un fonctionnement correct (Figure 12). Ses fonctionnalités de diagnostic « intrusives » offrent la possibilité d'entrer dans un « état sûr » en cas de défaillance du système.

Figure 12 : La sophistication et l'autovérification pour l'intégrité du circuit d'attaque de grille 1EDI3031ASXUMA1 sont clairement illustrées par le diagramme d'état de ses modes de fonctionnement. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Les concepteurs travaillant avec le 1EDI3031ASXUMA1 peuvent démarrer rapidement avec la carte d'évaluation 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 pour la famille de circuits d'attaque de grille EiceDRIVER EDI302xAS/1EDI303xAS (Figure 13).

Figure 13 : La carte d'évaluation 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 pour la famille de circuits d'attaque de grille EiceDRIVER EDI302xAS/1EDI303xAS permet aux concepteurs d'évaluer ce circuit d'attaque haute puissance avec un dispositif de puissance associé. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

Cette plateforme d'évaluation polyvalente présente une configuration en demi-pont, illustrée à la Figure 14. Elle permet le montage d'un module IGBT HybridPACK DSC ou d'un dispositif de puissance PG-TO247-3 discret.

Figure 14 : La carte d'évaluation 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 implémente un arrangement en demi-pont isolé et peut être utilisée avec des modules ou des dispositifs discrets. (Source de l'image : Infineon Technologies AG)

La fiche technique détaillée de cette carte d'évaluation inclut des schémas, la nomenclature, des informations sur les différentes connexions, des détails de configuration, les séquences de fonctionnement, des détails sur les indicateurs LED, et plus.

Conclusion

Les circuits d'attaque de grille constituent l'interface critique entre une sortie de processeur numérique basse puissance de faible niveau et les exigences de haut niveau, de haute puissance et de fort courant de la grille d'un dispositif de puissance tel qu'un MOSFET Si ou SiC. Il est essentiel d'adapter correctement le circuit d'attaque aux caractéristiques et aux exigences du dispositif de puissance pour obtenir un circuit de commutation efficace et fiable pour les systèmes de puissance tels que les onduleurs, les entraînements de moteur et les contrôleurs d'éclairage. Comme illustré, une vaste gamme de circuits d'attaque, basée sur plusieurs technologies propriétaires avancées et soutenue par des cartes et des kits d'évaluation, aide les concepteurs à garantir une adaptation optimale.

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