Choisissez un driver de porte High CMTI qui réduit le temps mort de votre interrupteur SiC

Résumé   Alors que les FET GaN et SiC commencent à remplacer les technologies MOSFET et IGBT dans les applications de commutation de puissance, nous discutons des spécifications clés pour sélectionner un pilote de grille isolé. Nous expliquons l'importance du CMTI et de la dissymétrie des délais de propagation et présentons un circuit intégré de pilote de grille isolé idéal pour une utilisation avec ces nouveaux transistors de puissance.

Introduction   « Comme le dit le proverbe, l'âge de pierre ne s'est pas terminé parce que nous avons manqué de pierres ; nous sommes passés à de meilleures solutions. La même opportunité se présente à nous avec l'efficacité énergétique et l'énergie propre. » Alors que le monde accélère sa transition loin des combustibles fossiles, bien avant leur épuisement prévu, les paroles du lauréat du prix Nobel Steven Chu n'ont jamais été aussi pertinentes. De nouveaux matériaux semi-conducteurs tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) seront à l'avant-garde de cette révolution en matière d'efficacité énergétique. Par rapport aux technologies MOSFET et IGBT existantes, ces nouveaux matériaux permettront de concevoir des composants plus petits et plus légers, réduisant ainsi les coûts et la consommation d'énergie dans des applications allant des automobiles aux onduleurs de cellules solaires (Figure 1).

Figure 1. Boîtiers onduleurs connectés à des panneaux photovoltaïques.

Les nouveaux interrupteurs de puissance, qui utilisent ces matériaux, imposeront des exigences différentes aux composants qui les contrôlent, en particulier le driver de grille. Dans cette solution de conception, nous examinons les domaines d'application pour les commutateurs GaN et SiC par rapport aux MOSFET et IGBT et discutons des implications pour leurs drivers de grille. Nous expliquons les spécifications clés pour sélectionner un driver de grille isolé avant de présenter une famille de CI avec des niveaux de performance qui les rendent beaucoup mieux adaptés à ces nouvelles technologies que les offres alternatives.

Remettre en question le statu quo   Jusqu'à récemment, choisir une technologie de commutation pour les systèmes de distribution d'énergie était relativement trivial. Les MOSFET étaient couramment utilisés pour des tensions allant jusqu'à 600V, avec l'IGBT comme technologie de choix pour les tensions plus élevées. Cependant, la structure cristalline latérale des nouvelles technologies de commutation d'énergie telles que le nitrure de gallium et le carbure de silicium offre plusieurs avantages significatifs en termes de performance par rapport aux technologies existantes. Le premier avantage est qu'ils sont plus petits, permettant des fréquences de commutation plus élevées. Augmenter les vitesses de commutation de dizaines de kilohertz à des centaines de kilohertz augmente l'efficacité. Deuxièmement, ils peuvent fonctionner en toute sécurité à des courants et températures plus élevés. Cela signifie qu'ils nécessitent des transformateurs et dissipateurs thermiques plus petits, permettant des moteurs plus légers. Dans les véhicules électriques, cette diminution de taille et de poids augmente l'autonomie. De même, réduire la taille des onduleurs solaires les rend plus adaptés aux applications domestiques. Les dispositifs GaN récents peuvent fonctionner jusqu'à 600V. À mesure que la technologie devient moins coûteuse, elle est bien placée pour éventuellement remplacer la technologie MOSFET avec le SiC remplaçant l'IGBT dans les applications à haute tension.

Pas de repas gratuit   Bien que ces avantages soient considérables, ils viennent avec un avertissement. La figure 2 montre un circuit où un microcontrôleur à basse tension est isolé galvaniquement (pour des raisons de sécurité) du domaine haute tension qui inclut les commutateurs de sortie et leur pilote de grille. Des vitesses de commutation plus rapides augmentent la susceptibilité aux transitoires de commutation plus rapides. Par exemple, les systèmes de puissance 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 600V, cela entraîne un transitoire de commutation de (600V/5ns) = 120kV/µs.

Figure 2 : Circuit typique de convertisseur de puissance isolé.

Les transitoires rapides de bruit peuvent corrompre la transmission de données à travers la barrière d'isolation ou, pire, provoquer un bug qui pourrait déclencher l'activation simultanée des deux FET de puissance, entraînant un court-circuit électrique dangereux. Pour éviter cette situation, les technologies de commutation rapide nécessitent une immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) de pilote de grille d'au moins 120kV/µs pour les conceptions utilisant un rail haute tension typique de 600V. La CMTI est définie comme le taux maximum tolérable de montée ou de descente de la tension en mode commun appliquée entre deux circuits isolés. L'unité est normalement en kV/µs. Une CMTI élevée 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 en mode commun haute tension. Un schéma simplifié de test CMTI est présenté dans la Figure 3.

Figure 3 : Mesure du CMTI.

Appariement du retard de propagation   Dans le circuit montré à la Figure 4, il est impératif qu'en aucune circonstance les deux interrupteurs ne soient "activés" simultanément, car cela entraînerait une condition potentiellement dommageable de type court-circuit (généralement appelée "shoot-through"). Pour éviter cela, une petite durée de "temps mort" où les deux interrupteurs sont "désactivés" doit être prévue dans la conception. Cependant, les interrupteurs GaN continuent de conduire un certain courant, même lorsqu'ils sont polarisés en inverse. Cela réduit l'efficacité car toute la puissance n'est pas transférée à la charge pendant cette période. Par conséquent, il existe un compromis à faire entre la durée d'un "temps mort" suffisamment sûr et l'efficacité réduite que cela entraîne. Pour arriver à une solution optimale, il est nécessaire de comprendre la variabilité du retard de propagation entre les différentes parties du pilote de grille, appelée appariement du retard de propagation partie à partie (ou canal à canal pour les pièces avec plusieurs canaux), ou skew. Lors de la conception de ce type de circuit, un pilote de grille avec le skew de retard de propagation le plus bas possible est le meilleur choix car il permet de minimiser la durée de "temps mort", tout en garantissant qu'une condition de "shoot-through" ne puisse jamais se produire.  

Figure 4. Circuit push-pull en demi-pont.

Solution 2-en-1   La figure 5 montre une famille de CI de pilotes de porte isolés qui répondent aux deux défis précédemment évoqués.

Figure 5. MAX22700D/MAX227002D driver de grille isolé à haute CMTI.

Comme illustré à la Figure 6, ces composants ont un CMTI de 300kV/µs (typ), un niveau de protection qui dépasse celui offert par des composants similaires, ce qui les rend idéaux pour les applications utilisant des interrupteurs GaN et SiC.

Figure 6. Mesure de CMTI du MAX22700.

La dispersion du retard de propagation est de seulement 2 ns (maximum) à température ambiante et de 5 ns (maximum) sur la plage de température de fonctionnement de -40°C à +125°C, ce qui aide à minimiser le temps mort et donc à augmenter l'efficacité. Les autres avantages incluent un verrouillage de sous-tension (UVLO) de précision qui garantit que plusieurs composants, pilotant des interrupteurs en parallèle, fonctionnent à la même tension de démarrage. Cela 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). De plus, des versions à entrée différentielle (versions D) ou simple (versions E) sont disponibles. La barrière d'isolation a une tension de tenue nominale de 3kVRMS pendant 60 secondes pour fournir des performances robustes. Ces CI peuvent piloter des FETs SiC ou GaN avec différents circuits de commande de grille de sortie et des tensions d'alimentation côté B.

Résumé   L'accent accru sur les économies d'énergie dans notre vie quotidienne pousse à trouver de nouvelles façons de faire fonctionner les choses. Le SiC et le GaN sont des matériaux semi-conducteurs capables de 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 nécessitent de nouvelles exigences pour les circuits qui les pilotent. Nous avons montré pourquoi le CMTI et l'écart de retard de propagation sont deux des spécifications les plus importantes à considérer lors du choix d'un pilote de porte isolé pour des applications utilisant ces technologies de commutation. Nous avons présenté une famille de circuits intégrés de pilotes de porte isolés avec le CMTI le plus élevé et l'écart de retard de propagation le plus faible, les rendant idéaux pour une utilisation avec des FETs GaN et SiC dans les onduleurs UPS et photovoltaïques ainsi que dans les entraînements de moteurs.