Les pays développés délaissent de plus en plus les combustibles fossiles en faveur des énergies propres, par conséquent le marché des technologies évolue pour répondre aux nouvelles demandes des clients. Cette évolution implique entre autres la recherche et l’adoption de nouveaux matériaux pour concevoir des composants microélectroniques. Cet article s’intéresse aux technologies GaN et SiC et la manière dont celles-ci révolutionnent les circuits intégrés de commande de grille isolée.
Extrait
Alors que les FET GaN et SiC remplacent peu à peu les technologies MOSFET et IGBT dans les applications de commutation de puissance, nous évoquons les spécifications clés à prendre en compte lors de la sélection d’un pilote de grille isolé. Nous expliquons l’importance du CMTI et de l’asymétrie du délai de propagation et présentons un circuit d’attaque de grille isolé idéal pour être utilisé avec ces nouveaux transistors de puissance.
Introduction
« Comme le dit le proverbe, l’âge de pierre n’a pas pris fin parce que nous manquions de pierre ; nous sommes simplement passés à des solutions plus efficaces. La même opportunité s’offre à nous en matière d’efficacité énergétique et d’énergie propre. » Alors que le monde accélère sa transition et délaisse les combustibles fossiles, bien avant l’épuisement prévu de ces ressources, les paroles de Steven Chu, lauréat du prix Nobel, n’ont jamais été aussi pertinentes. Les nouveaux matériaux semi-conducteurs, comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) seront à l’avant-garde de cette révolution de l’efficacité énergétique. Comparés aux technologies MOSFET et IGBT actuelles, ces nouveaux matériaux permettront de fabriquer des composants plus petits et plus légers, ce qui réduira le coût et la consommation d’énergie dans des applications allant de l’automobile aux onduleurs de cellules solaires (figure 1).
Figure 1. Boîtiers d’onduleurs connectés aux panneaux photovoltaïques.
Les nouveaux commutateurs de puissance, qui utilisent ces matériaux, imposeront des exigences différentes aux composants qui les contrôlent, en particulier au pilote de grille. Dans cette conception, nous examinons les domaines d’application des commutateurs GaN et SiC par rapport aux commutateurs MOSFET et IGBT et discutons des implications pour leurs pilotes de grille. Nous expliquons les spécifications clés pour la sélection d’un pilote de grille isolé avant de présenter une famille de circuits intégrés dont les niveaux de performance les rendent bien mieux adaptés à ces nouvelles technologies que les offres alternatives.
Remettre en question le statu quo
Jusqu’à récemment, le choix d’une technologie de commutation pour les systèmes d’alimentation électrique était relativement trivial. Les MOSFET étaient couramment utilisés pour des tensions allant jusqu’à 600 V, les IGBT étant la technologie de choix pour les tensions plus élevées. Cependant, la structure cristalline latérale des nouvelles technologies de commutation de puissance, telles que le nitrure de gallium et le carbure de silicium, offre plusieurs avantages significatifs en termes de performances par rapport aux technologies existantes. Le premier avantage réside dans leur facteur forme, ces commutateurs étant plus petits, ce qui permet d’augmenter les fréquences de commutation. L’augmentation des vitesses de commutation de dizaines de kilohertz à des centaines de kilohertz accroît l’efficacité. Deuxièmement, ils peuvent fonctionner en toute sécurité à des courants et des températures plus élevés. Cela signifie qu’elles nécessitent des transformateurs et des dissipateurs thermiques plus petits, ce qui permet d’alléger les moteurs. Dans les véhicules électriques, cette réduction de taille et de poids augmente l’autonomie. De même, la réduction de la taille des onduleurs solaires les rend plus adaptés aux applications domestiques. Les dispositifs GaN récents peuvent fonctionner jusqu’à 600 V. Cette technologie devenant moins coûteuse, elle devrait remplacer à terme la technologie MOSFET, le SiC remplaçant l’IGBT dans les applications à plus haute tension.
Rien n’est gratuit
Bien que ces avantages soient très intéressants, ils s’accompagnent cependant d’une mise en garde. La figure 2 montre un circuit dans lequel un microcontrôleur basse tension est isolé galvaniquement (pour des raisons de sécurité) du domaine haute tension qui comprend les commutateurs de sortie et leur pilote de grille. Des vitesses de commutation plus rapides augmentent la sensibilité aux transitoires de commutation plus rapides. Par exemple, les systèmes d’alimentation GaN commutent généralement en 5 ns (un ordre de grandeur plus rapide que les systèmes MOSFET conventionnels). En supposant un rail haute tension typique de 600 V, cela donne un transitoire de commutation de (600 V/5 ns) = 120 kV/µs.
Figure 2 : Circuit typique d’un convertisseur de puissance isolé.
Les transitoires de bruit rapides peuvent corrompre la transmission des données à travers la barrière d’isolation ou, pire encore, provoquer un défaut qui pourrait déclencher l’activation simultanée des deux FET de puissance, provoquant ainsi un court-circuit électrique dangereux. Pour éviter cette situation, les technologies de commutation rapide nécessitent une immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) d’au moins 120 kV/µs pour les conceptions utilisant un rail haute tension typique de 600 V. L’immunité transitoire en mode commun est définie comme la vitesse maximale tolérable d’augmentation ou de diminution de la tension en mode commun appliquée entre deux circuits isolés. L’unité est normalement exprimée en kV/µs. Un CMTI élevé signifie qu’un niveau de signal de chaque côté de la barrière d’isolation est préservé (dans les limites de la fiche technique) lorsque la barrière d’isolation est frappée par un signal de mode commun à haute tension. La figure 3 présente un montage de test CMTI simplifié.
Figure 3 : Mesure du CMTI.
Correspondance des délais de propagation
Dans le circuit illustré à la figure 4, il est impératif que les deux interrupteurs ne soient en aucun cas activés simultanément, car cela entraînerait un court-circuit potentiellement dommageable (généralement appelé "shoot-through"). Pour éviter que cela ne se produise, un court « temps mort » où les deux interrupteurs sont « éteints » doit être autorisé ou prévu dans la conception. Cependant, les commutateurs GaN continuent de conduire un certain courant, même lorsqu’ils sont polarisés en sens inverse. Cela réduit l’efficacité car toute la puissance n’est pas transférée à la charge pendant ce temps. Il faut donc trouver un compromis entre une durée de « temps mort » suffisamment sûre, et la réduction de l’efficacité que cela implique. Pour parvenir à une solution optimale, il faut comprendre la variabilité du temps de propagation entre les différentes parties du circuit d’attaque de la porte, appelée adaptation du temps de propagation d’une partie à l’autre (ou d’un canal à l’autre pour les parties comportant plusieurs canaux), ou skew. Lors de la conception de ce type de circuit, un circuit d’attaque de porte avec le skew de délai de propagation le plus faible possible est le meilleur choix car il permet de minimiser le temps mort tout en garantissant qu’une condition de « shoot through » ne peut jamais se produire.
Figure 4. Circuit en demi-pont push-pull.
Solution 2 pour 1
La figure 5 illustre une gamme de circuits intégrés de commande de grille isolés qui relèvent les deux défis évoqués précédemment.
Comme l’illustre la figure 6, ces pièces ont un CMTI de 300 kV/µs (typ), un niveau de protection supérieur à celui offert par des pièces similaires, ce qui les rend idéales pour les applications utilisant des commutateurs GaN et SiC.
Figure 6. Mesure CMTI du MAX22700.
Le décalage du délai de propagation n’est que de 2 ns (maximum) à température ambiante et de 5n s (maximum) sur la plage de température de fonctionnement de -40 °C à +125 °C, ce qui permet de minimiser les temps morts et donc d’augmenter l’efficacité. Parmi les autres avantages de ces solutions, citons le verrouillage de précision en cas de sous-tension (UVLO), qui garantit que plusieurs pièces, pilotant des interrupteurs en parallèle, fonctionnent à la même tension de démarrage. Ceci est important lors du réglage du VGS pour les transistors SiC. Il existe plusieurs variantes avec des options de sortie pour la broche commune du pilote de grille : GNDB (MAX22700), pince Miller (MAX22701), et UVLO ajustable (MAX22702). En outre, des versions à entrée différentielle (versions D) ou à entrée simple (versions E) sont disponibles. La barrière d’isolation a une tension nominale de tenue de 3 kVRMS pour 60s, afin de fournir des performances robustes. Ces circuits intégrés peuvent piloter des FET SiC ou GaN avec différents circuits de pilotage de la grille de sortie et différentes tensions d’alimentation côté B.
Récapitulatif
Nous recherchons de plus en plus des moyens d’économiser l’énergie dans notre vie quotidienne, ce qui nous incite à trouver de nouvelles manières de faire fonctionner les choses. Le SiC et le GaN sont des matériaux semi-conducteurs qui peuvent fonctionner en toute sécurité à des vitesses et des températures plus élevées, ce qui permet des conceptions plus légères et plus efficaces dans différentes applications. Cependant, ces nouveaux matériaux imposent de nouvelles exigences aux circuits qui les pilotent. Nous avons démontré pourquoi le CMTI et le skew du temps de propagation sont deux des spécifications les plus importantes à prendre en compte lors de la sélection d’un circuit d’attaque de grille isolé pour les applications utilisant ces technologies de commutation. Nous avons présenté une famille de circuits d’attaque de grille isolés présentant à la fois le CMTI le plus élevé et le skew de délai de propagation le plus faible, ce qui les rend idéaux pour une utilisation avec des FET GaN et SiC dans les onduleurs et les convertisseurs photovoltaïques, ainsi que dans les commandes de moteur.
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