Optimiser l'efficacité de commande des dispositifs d'alimentation avec le convertisseur de circuit d'attaque de grille approprié

Qu'il s'agisse d'alimentations, de commandes moteurs, de bornes de charge ou d'une multitude d'autres applications, les semi-conducteurs de puissance de commutation tels que les MOSFET en silicium (Si), carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN), ainsi que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), sont la clé de la conception de systèmes d'alimentation efficaces. Cependant, pour obtenir des performances maximales d'un dispositif d'alimentation, un circuit d'attaque de grille approprié est nécessaire.

Comme son nom l'indique, le rôle de ce composant est de commander la grille du dispositif d'alimentation et donc d'activer ou de désactiver le mode de conduction de manière rapide et précise. Pour ce faire, le circuit d'attaque doit être capable de générer/absorber un courant suffisant malgré la capacité, l'inductance et d'autres problèmes parasites et de dispositifs internes au niveau de la charge (grille). Par conséquent, il est essentiel de fournir un circuit d'attaque de grille correctement dimensionné avec les attributs clés appropriés pour atteindre le plein potentiel et le plein rendement du dispositif d'alimentation. Cependant, pour tirer le meilleur parti du circuit d'attaque de grille, le concepteur doit accorder une attention particulière à l'alimentation CC du circuit d'attaque, qui est indépendante du rail CC du dispositif d'alimentation. Cette alimentation est similaire à une alimentation conventionnelle mais avec quelques différences importantes. Il peut s'agir d'une alimentation unipolaire, mais dans de nombreux cas, il s'agit d'une alimentation bipolaire non symétrique, avec d'autres différences fonctionnelles et structurelles. Les concepteurs doivent également prêter attention au facteur de forme en termes d'exigences d'empreinte carte et de faible profil, ainsi qu'à la compatibilité avec les processus d'assemblage et de fabrication prévus pour une conception.

Cet article traite des alimentations pour les circuits d'attaque de grille, en utilisant comme exemples les alimentations CC/CC à montage en surface (CMS) de la série MGJ2 de convertisseurs CC/CC 2 watts (W) de Murata Power Solutions.

Commencer avec les dispositifs de commutation

La compréhension du rôle et des attributs souhaités du convertisseur CC/CC de circuit d'attaque de grille commence par les dispositifs de commutation. Pour un MOSFET en tant que dispositif de commutation, le chemin grille-source est utilisé pour contrôler l'état d'activation ou de désactivation du dispositif (les IGBT sont similaires). Lorsque la tension grille-source est inférieure à la tension de seuil (V_GS < V_TH), le MOSFET se trouve dans sa zone de coupure, aucun courant de drain ne circule, I_D = 0 ampère (A), et le MOSFET apparaît comme un « commutateur ouvert » (Figure 1).

Figure 1 : En mode de coupure, le chemin drain-source du MOSFET ressemble à un commutateur ouvert. (Source de l'image : Quora)

À l'inverse, lorsque la tension grille-source est bien supérieure à la tension de seuil (V_GS > V_TH), le MOSFET se trouve dans sa région de saturation, le courant de drain maximum circule (I_D = V_DD /R_L), et le MOSFET apparaît comme un « commutateur fermé » à faible résistance (Figure 2). Dans le cas d'un MOSFET idéal, la tension drain-source serait nulle (V_DS = 0 volt (V)), mais dans la pratique, V_DS se situe généralement autour de 0,2 V en raison de la résistance à l'état passant R_DS(on) interne, qui est généralement inférieure à 0,1 ohm (Ω) et qui peut être de seulement quelques dizaines de milliohms.

Figure 2 : En mode de saturation, le chemin drain-source du MOSFET ressemble à un commutateur à faible résistance. (Source de l'image : Quora)

Bien que les schémas de principe donnent l'impression que la tension appliquée à la grille active et désactive le MOSFET, ce n'est qu'une partie de l'histoire. Cette tension fait passer le courant dans le MOSFET jusqu'à ce que la charge accumulée soit suffisante pour l'activer. En fonction de la taille (courant nominal) et du type de commande de commutation, la quantité de courant nécessaire pour passer rapidement à un état complètement actif peut être de quelques milliampères (mA) à plusieurs ampères.

La fonction du circuit d'attaque de grille est d'amener suffisamment de courant dans la grille, de manière rapide et précise, pour activer le MOSFET, et de retirer ce courant de manière inverse pour désactiver le MOSFET. Plus concrètement, la grille doit être commandée par une source à faible impédance capable de générer et d'absorber un courant suffisant pour permettre l'insertion et l'extraction rapides de la charge de contrôle.

Si la grille du MOSFET ressemblait à une charge purement résistive, la génération et l'absorption de ce courant seraient relativement simples. Cependant, un MOSFET a des éléments parasites capacitifs et inductifs internes, et il existe également des parasites provenant des interconnexions entre le circuit d'attaque et le dispositif d'alimentation (Figure 3).

Figure 3 : Ce modèle de MOSFET montre la capacité et l'inductance parasites qui affectent les performances du circuit d'attaque. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il en résulte une oscillation du signal d'attaque de grille autour de la tension de seuil, ce qui fait que le dispositif s'active et se désactive une ou plusieurs fois sur sa trajectoire vers l'activation ou la désactivation complète ; ce phénomène est similaire au rebond d'un commutateur mécanique (Figure 4).

Figure 4 : L'oscillation de la sortie du circuit d'attaque due aux parasites dans la charge du MOSFET peut provoquer une oscillation et un faux déclenchement, un comportement similaire au rebond d'un commutateur mécanique. (Source de l'image : Learn About Electronics)

Les conséquences peuvent passer inaperçues ou être simplement gênantes dans une application occasionnelle telle que l'activation et la désactivation d'une lumière, mais elles peuvent également entraîner des dommages dans les circuits de commutation rapide à modulation de largeur d'impulsion (PWM) largement utilisés dans les alimentations, les commandes moteurs et les sous-systèmes similaires. Des courts-circuits et même des dommages permanents peuvent se produire, dans les topologies en demi-pont et en pont complet standard où la charge est placée entre une paire supérieure et inférieure de MOSFET si les deux MOSFET du même côté du pont sont activés simultanément, même pendant un instant. Ce phénomène est connu sous le nom de « shoot-through » (Figure 5).

Figure 5 : Contrairement à l'activation normale d'un MOSFET de Q1 et Q4 (à gauche), ou Q2 et Q3 (à droite), si Q1 et Q2 ou Q3 et Q4 du pont sont activés simultanément à cause de problèmes de circuit d'attaque ou autres, une condition de court-circuit inacceptable et éventuellement dommageable appelée shoot-through se produira entre le rail d'alimentation et la masse. (Source de l'image : Quora)

Détails de l'attaque de grille

Afin de conduire le courant dans la grille, la tension du rail positif doit être suffisamment élevée pour assurer la saturation complète du commutateur de puissance, mais sans dépasser la tension maximum absolue pour sa grille. Bien que cette valeur de tension soit fonction du type et du modèle de dispositif spécifique, les IGBT et les MOSFET standard sont généralement complètement activés avec une commande de 15 V, tandis que les MOSFET SiC typiques peuvent avoir besoin d'une valeur proche de 20 V pour un état d'activation complet.

La situation de la tension d'attaque de grille négative est un peu plus compliquée. En principe, pour l'état de désactivation, 0 V sur la grille est suffisant. Cependant, une tension négative, typiquement entre -5 V et -10 V, permet une commutation rapide contrôlée par une résistance de grille. Une commande négative appropriée garantit que la tension de désactivation grille-émetteur est toujours égale ou inférieure à zéro.

Cela est essentiel car toute inductance d'émetteur (L) (au point 'x' de la Figure 6) entre un commutateur et la référence du circuit d'attaque, provoque une tension grille-émetteur opposée lorsque le commutateur est désactivé. Bien que l'inductance puisse être petite, même une très petite inductance de 5 nanohenrys (nH) (quelques millimètres de connexion câblée) produira 5 V à une vitesse de balayage di/dt de 1000 A par microseconde (A/μs).

Figure 6 : Même une petite inductance d'émetteur au point 'x' entre un commutateur et la référence du circuit d'attaque, en raison de considérations de disposition, peut induire une tension grille-émetteur opposée lorsque le commutateur est désactivé, provoquant une gigue à l'activation et la désactivation. (Source de l'image : Murata Power Solutions)

Une tension d'attaque de grille négative permet également de surmonter l'effet de la capacité d'effet Miller C_m collecteur/drain-grille, qui injecte du courant dans le circuit d'attaque de grille pendant la désactivation du dispositif. Lorsque le dispositif est désactivé, la tension collecteur-grille augmente et un courant de valeur C_m × dV_ce/dt circule à travers la capacité Miller, dans la capacité grille-émetteur/source C_ge, et à travers la résistance de grille vers le circuit d'attaque. La tension V_ge résultante sur la grille peut être suffisante pour réactiver le dispositif, ce qui peut provoquer un phénomène shoot-through et des dommages (Figure 7).

Figure 7 : L'utilisation d'une tension d'attaque de grille négative permet de surmonter les inconvénients dus à la présence de la capacité d'effet Miller dans un MOSFET ou un IGBT. (Source de l'image : Murata Power Solutions)

Cependant, en rendant la grille négative, cet effet est minimisé. C'est pourquoi la conception d'un circuit d'attaque efficace nécessite des rails de tension positifs et négatifs pour la fonction d'attaque de grille. Toutefois, contrairement à la plupart des convertisseurs CC/CC bipolaires qui ont des sorties symétriques (telles que +5 V et -5 V), les rails d'alimentation du circuit d'attaque de grille sont généralement asymétriques avec une tension positive supérieure à la tension négative.

Dimensionner la puissance nominale du convertisseur

Un facteur critique est la quantité de courant que doit fournir le convertisseur de circuit d'attaque de grille, et donc sa puissance nominale. Le calcul de base est assez simple. Dans chaque cycle de commutation, la grille doit être chargée et déchargée par la résistance de grille R_g. La fiche technique du dispositif fournit une courbe pour la valeur de charge de grille Q_g, où Q_g est la quantité de charge qui doit être injectée dans l'électrode de grille pour activer (commander) le MOSFET à des tensions de grille spécifiques. La puissance devant être fournie par le convertisseur CC/CC est calculée à l'aide de la formule suivante :

Où Q_g est la charge de grille pour une excursion de tension de grille choisie (positive à négative), de valeur V_s et à une fréquence F. Cette puissance est dissipée dans la résistance de grille interne (R_int) du dispositif et la résistance série externe, R_g. La plupart des circuits d'attaque de grille ont besoin d'une alimentation inférieure à un ou deux watts.

Une autre considération est le courant de crête (I_pk) requis pour charger et décharger la grille. C'est une fonction de V_s, R_int et R_g. Le calcul est effectué en utilisant la formule suivante :

Dans de nombreux cas, ce courant de crête est supérieur à ce que le convertisseur CC/CC peut fournir. Plutôt que d'utiliser une alimentation plus grande et plus coûteuse (qui fonctionne à un faible rapport cyclique), la plupart des conceptions fournissent le courant à l'aide de condensateurs de masse (bulk) sur les rails d'alimentation du circuit d'attaque, qui sont chargés par le convertisseur pendant les périodes de faible courant du cycle.

Des calculs de base permettent de déterminer la taille de ces condensateurs de masse. Cependant, il est également important qu'ils présentent une faible résistance série équivalente (ESR) et une faible inductance série équivalente (ESL) afin de ne pas gêner le courant transitoire qu'ils délivrent.

Autres considérations relatives aux convertisseurs de circuit d'attaque de grille

Les convertisseurs CC/CC de circuit d'attaque de grille présentent d'autres problèmes spécifiques, notamment :

• Régulation : La charge sur le convertisseur CC/CC est proche de zéro lorsque le dispositif ne commute pas. Cependant, la plupart des convertisseurs conventionnels ont besoin d'une charge minimale à tout moment ; sinon, leur tension de sortie peut augmenter de façon spectaculaire, éventuellement jusqu'au niveau de claquage de la grille.

Cette haute tension est stockée sur les condensateurs de masse, de sorte que lorsque le dispositif commence à commuter, une surtension de grille peut se produire jusqu'à ce que le niveau du convertisseur tombe sous la charge normale. Il convient donc d'utiliser un convertisseur CC/CC dont les tensions de sortie sont bloquées ou dont les exigences de charge minimale sont très faibles.

• Démarrage et arrêt : Il est important que les IGBT et les MOSFET ne soient pas activement commandés par les signaux de commande PWM tant que les rails de tension du circuit d'attaque ne sont à leurs valeurs désignées. Cependant, lorsque les convertisseurs de circuit d'attaque de grille sont mis sous tension ou hors tension, il peut exister une condition transitoire dans laquelle les dispositifs peuvent être commandés — même si le signal PWM est inactif — ce qui entraîne un événement shoot-through et des dommages. Par conséquent, les sorties du convertisseur CC/CC doivent présenter un comportement correct à la mise sous tension et hors tension avec une montée et une descente monotones (Figure 8).

Figure 8 : Il est essentiel que les sorties du convertisseur CC/CC présentent un comportement correct pendant les séquences de mise sous et hors tension, sans transitoires de tension. (Source de l'image : Murata Power Solutions)

• Capacité d'isolation et de couplage : À haute puissance, les onduleurs ou les convertisseurs de puissance utilisent typiquement une configuration en pont pour générer un courant alternatif à la fréquence de ligne ou pour fournir une commande PWM bidirectionnelle aux moteurs, aux transformateurs ou à d'autres charges. Pour la sécurité de l'utilisateur et pour répondre aux exigences réglementaires, le signal PWM d'attaque de grille et les rails d'alimentation de commande associés des commutateurs haut potentiel doivent être isolés galvaniquement de la terre, sans chemin ohmique entre eux. En outre, la barrière galvanique doit être robuste et ne présenter aucune dégradation significative due aux effets répétés des décharges partielles pendant la durée de vie de la conception.

De plus, des problèmes se posent en raison du couplage capacitif à travers la barrière galvanique ; ce phénomène est similaire au courant de fuite entre les enroulements primaire et secondaire d'un transformateur de ligne CA entièrement isolé. Il est donc nécessaire de s'assurer que le circuit d'attaque et les rails d'alimentation associés sont immunisés contre une valeur dV/dt élevée du nœud de commutation et ont une très faible capacité de couplage.

Le mécanisme à l'origine de ce problème implique des fronts de commutation très rapides, typiquement 10 kilovolts par microseconde (kV/μs), et même jusqu'à 100 kV/μs pour les derniers dispositifs GaN. Cette variation dV/dt rapide provoque un flux de courant transitoire à travers la capacité de la barrière galvanique du convertisseur CC/CC.

Comme le courant I = C x (dV/dt), même une petite capacité de barrière de seulement 20 picofarads (pF) avec une commutation de 10 kV/μs entraîne un flux de courant de 200 mA. Ce courant trouve un chemin de retour indéterminé à travers les circuits du contrôleur jusqu'au pont, provoquant des pics de tension dans les inductances et les résistances de connexion, ce qui peut potentiellement perturber le fonctionnement du contrôleur et du convertisseur CC/CC. Une faible capacité de couplage est donc très souhaitable.

Il existe un autre aspect de l'isolation de base et de l'isolement associé du convertisseur CC/CC. La barrière galvanique est conçue pour supporter en permanence la tension nominale, mais comme la tension est commutée, la barrière peut potentiellement se dégrader plus rapidement dans le temps. Cela est dû aux effets électrochimiques et de décharge partielle dans le matériau de barrière se produisant uniquement en raison d'une tension CC fixe.

Le convertisseur CC/CC doit donc être doté d'une isolation robuste et de généreuses distances minimum de dégagement et de fuite en surface. Si la barrière du convertisseur fait également partie d'un système d'isolation de sécurité, les mandats d'agences réglementaires concernés s'appliquent pour le niveau d'isolation requis (basique, supplémentaire, renforcé), la tension de fonctionnement, le degré de pollution, la catégorie de surtension et l'altitude.

Pour ces raisons, seuls les convertisseurs CC/CC de circuit d'attaque de grille avec une conception et des matériaux adaptés sont classifiés ou en attente de classification selon la norme UL60950-1 pour divers niveaux de protection basiques et renforcés (et qui sont généralement équivalents à ceux de la norme EN 62477-1:2012) ; une classification plus stricte est également en place ou en attente selon la norme médicale ANSI/AAMI ES60601-1 avec des exigences 1 × MOPP (moyens de protection du patient) et 2 × MOOP (moyens de protection de l'opérateur).

• Immunité transitoire en mode commun : L'immunité transitoire en mode commun (CMTI) est un paramètre de circuit d'attaque de grille important à des fréquences de commutation plus élevées où le circuit d'attaque de grille a une tension différentielle entre deux références de masse séparées, comme c'est le cas pour les circuits d'attaque de grille isolés. Le CMTI est défini comme la vitesse tolérable maximum de montée ou de descente de la tension de mode commun appliquée entre deux circuits isolés, et est spécifié en kV/µs ou en volts par nanoseconde (V/ns).

Un CMTI élevé signifie que les deux côtés d'un arrangement isolé — le côté émission et le côté réception — dépassent les spécifications de la fiche technique lorsqu'un signal ayant une vitesse de balayage de montée (positive) ou de descente (négative) très élevée rencontre la barrière d'isolement. La fiche technique du convertisseur CC/CC doit contenir une valeur de spécification pour ce paramètre, et les concepteurs doivent l'adapter aux spécifications de fréquence et de tension de fonctionnement de leur circuit.

Répondre aux exigences des convertisseurs CC/CC de circuit d'attaque de grille

Reconnaissant les nombreux défis et les exigences souvent contradictoires des convertisseurs CC/CC de circuit d'attaque de grille, Murata a étendu sa série MGJ2 de convertisseurs CC/CC à montage traversant pour inclure des unités CC/CC CMS. Ces convertisseurs conviennent parfaitement à l'alimentation des circuits d'attaque de grille haut potentiel et bas potentiel des IGBT et des MOSFET dans les applications où l'espace et le poids sont limités, en raison de leurs performances, de leur facteur de forme compact et de leur faible profil (environ 20 millimètres (mm) de long × 15 mm de large × 4 mm de haut), et de leur compatibilité avec les processus de fabrication CMS (Figure 9).

Figure 9 : Toutes les unités dans la série MGJ2 de convertisseurs CC/CC de Murata présentent le même aspect extérieur et la même taille, mais sont disponibles avec une variété de tensions d'entrée et de tensions de sortie bipolaires. (Source de l'image : Murata Power Solutions)

Les convertisseurs 2 W de cette série fonctionnent à partir d'entrées nominales de 5 V, 12 V et 15 V, et offrent un choix de tensions de sortie asymétriques (sorties de +15 V/-5 V, +15 V/-9 V et +20 V/-5 V) pour prendre en charge des niveaux de commande optimum avec le meilleur rendement système et des interférences électromagnétiques (EMI) minimales. Le boîtier à montage en surface facilite l'intégration physique avec les circuits d'attaque de grille et permet un placement plus proche, réduisant ainsi la complexité du câblage tout en minimisant les interférences électromagnétiques et les perturbations radioélectriques (RFI).

La série MGJ2 est spécifiée pour les exigences d'isolation et dV/dt élevées requises par les circuits en pont utilisés dans les commandes moteurs et les onduleurs, et la température et la construction de grade industriel garantissent une longue durée de vie et une haute fiabilité. Les autres attributs clés incluent :

• Isolation renforcée pour la classification UL62368 (en attente)
• Classification ANSI/AAMI ES60601-1 (en attente)
• Tension de test d'isolement de 5,7 kV CC (par test diélectrique)
• Capacité d'isolation ultrafaible
• Fonctionnement jusqu'à +105°C (avec détarage)
• Protection contre les courts-circuits
• Immunité transitoire en mode commun caractérisée (CMTI) > 200 kV/µs
• Tension de tenue de barrière continue de 2,5 kV
• Performances de décharge partielle caractérisées

Deux unités illustrent l'éventail de performances disponibles dans la série MGJ2 :

• Le MGJ2D152005MPC-R7 prend une entrée nominale de 15 V (13,5 V à 16,5 V) et fournit des sorties hautement asymétriques de +20 V et -5,0 V jusqu'à 80 mA chacune. Les spécifications clés incluent une régulation de charge de 9 % et 8 % (maximum) pour les deux sorties (respectivement), une ondulation et un bruit inférieurs à 20/45 mV (typiques/maximum), un rendement de 71/76 % (minimum/typique), une capacité d'isolation de seulement 3 pF et un temps moyen de bon fonctionnement (MTTF) d'environ 1100 kilo-heures (déterminé selon la norme MIL-HDBK-217 FN2) et 43 500 kilo-heures (selon les modèles de calcul Telecordia SR-332).

• Le MGJ2D121509MPC-R7 fonctionne à partir d'une entrée nominale de 12 V (10,8 V à 13,2 V) et fournit des sorties asymétriques de +15 V et -9,0 V, également jusqu'à 80 mA. Les autres spécifications clés incluent une régulation de charge de 8 %/13 % (typique/maximum) pour la sortie de +15 V et de 7 %/12 % (typique/maximum) pour la sortie de -9,0 V, une ondulation et un bruit inférieurs à 20/45 mV (typiques/maximum), un rendement de 72/77 % (minimum/typique), une capacité d'isolation de 3 pF et un MTTF d'environ 1550 kilo-heures (avec MIL-HDBK-217 FN2) et 47 800 kilo-heures (modèles Telecordia).

En plus des listes et graphiques attendus détaillant les performances statiques et dynamiques, la fiche technique commune pour les membres de cette série indique les nombreuses normes industrielles et les mandats réglementaires auxquels ces convertisseurs répondent, et fournit des informations complètes sur les conditions de test associées utilisées pour déterminer ces facteurs. Cela permet d'accroître le niveau de confiance et d'accélérer la certification des produits dans les applications soumises à des exigences de conformité strictes.

Conclusion

La sélection du dispositif MOSFET ou IGBT approprié pour une conception d'alimentation à découpage n'est qu'une étape du processus de conception. Il faut également tenir compte du circuit d'attaque de grille associé qui contrôle le dispositif de commutation, le faisant passer de l'état actif à l'état inactif rapidement et avec précision. À son tour, le circuit d'attaque a besoin d'un convertisseur CC/CC approprié pour fournir sa puissance de fonctionnement. Comme illustré, la série MGJ2 de convertisseurs CC/CC 2 W à montage en surface de Murata offre les performances électriques nécessaires et répond également aux nombreuses exigences de sécurité et de réglementation complexes requises dans cette fonction.