A Bibliographie sur les techniques de détection d’un court-circuit

Il existe plusieurs méthodes pour détecter un SC, que ce soit un court-circuit de type I ou de type II. Elles seront brièvement expliquées et évaluées en ce qui concerne les caractéristiques de commutation des MOSFET SiC.

II.A.1 Utilisation d’un shunt

La méthode la plus simple consiste à utiliser un shunt pour mesurer directement le courant de drain comme proposé dans [78]. Atteindre un certain seuil déclenche la détection d'un SC ou d'une surintensité. L'avantage évident est la possibilité de détecter sans attendre la saturation du canal, ce qui est important pour les transistors à fort courant de saturation comme c'est le cas généralement pour le MOSFET SiC. Il y a des inconvénients évidents : en plus de ne pas être isolée galvaniquement et de présenter un faible rapport signal sur bruit, la résistance du shunt a souvent une valeur très proche du RDS,on du MOSFET SiC, ce qui ajoute des pertes

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parasite supplémentaire rajoutée à la boucle de commutation par le shunt, qui détériore considérablement la capacité de commutation des composants SiC ou GaN à commutation rapide. Par conséquent, cette méthode n'est pas une option et ne fera pas l'objet d'un examen plus approfondi.

II.A.2 Mesure du courant par une puce en parallèle (Sense FET)

Le principe de cette méthode est aussi de détecter directement le courant de court-circuit par le biais d’un composant identique au composant de puissance mais d’un calibre en courant bien plus petit et commandé de la même façon que le composant de puissance. En effet, le courant passant dans le « petit » composant sera bien plus faible mais néanmoins une image du courant passant dans le composant de puissance. Il suffit de mesurer le courant passant dans ce composant en parallèle pour avoir une image du courant de drain. Bien qu’il n’y ait pas d’ajout d’inductance parasite, la conception de la mesure de courant est complexe. Cette méthode est utilisée pour les IGBT Si [79]. Cependant, en pratique, le composant de petit calibre est intégré sur la puce de puissance sous la forme d'une électrode "sense" à connecter à une électronique de surveillance à très basse impédance d'entrée car le ratio de mesure dépend du potentiel présent sur cette électrode tout comme l'effet de la température. Ainsi, nous voyons que cette solution diminue la densité de puissance, rajoute un coût non négligeable pour les composants grands gaps qui sont déjà très couteux et, enfin, présente une mise en œuvre délicate. Cette méthode ne sera pas plus détaillée ici, elle est essentiellement pertinente pour les applications dites Automotives, couvertes par de nombreuses normes de sécurité, lesquelles peuvent imposer une surveillance du courant pour anticiper tout risque de surcharge thermique excessive et de risque de surchauffe voire d'incendie

II.A.3 Mesure de la charge de la capacité de grille

Le principe de cette détection est de mesurer la charge de la capacité de grille et, par la mise en place d’un seuillage, de déterminer la présence d’un court-circuit [80], [81]. Dans le cas d’un court-circuit de type I, la valeur de la charge est plus faible que dans le cas de la charge en commutation, car il n’y a pas de plateau Miller, comme présenté Fig. 4.1 [82]. Le principal avantage de cette méthode est que la détection s’effectue en basse tension au plus proche du gate driver, ce qui permet d’être peu onéreux et rapide car utilisant des composants issus de la microélectronique. En revanche, la distinction entre les valeurs de charges peut être complexe. En effet, en considérant les oscillations créées par le diD/dt, les inductances parasites, la chaine

d'amplification et le bruit, le calcul de Qg demande une grande précision. De plus, pour les

composants SiC MOSFET et encore plus pour les composants en GaN, la capacité Miller CGD

est très faible, il peut donc être difficile de faire la différence entre un court-circuit et une commutation classique. Enfin, cette méthode ne peut pas être utilisée dans le cas d’un montage cascode.

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II.A.4 La désaturation

La méthode la plus classique consiste à surveiller la tension aux bornes du composant lorsque celui-ci est commandé. En effet, lorsqu'un composant de type IGBT ou MOSFET est passant, il se trouve dans sa zone ohmique : sa résistance est très faible tout comme la tension à ses bornes. En revanche, si le composant homologue dans la cellule de commutation est incapable de tenir la tension ou si la charge elle-même est en court-circuit, le composant se retrouve à devoir tenir toute la tension de l'alimentation. Dans ces conditions de stress extrêmes, le point de fonctionnement du composant se déplace dans sa zone de saturation et la densité de courant dans le canal est 5 à 10 fois la valeur nominale. À partir de ce constat, la technique de détection de défaut va être de mesurer la présence anormale de la tension lorsque le composant est commandé à l'état passant.

Afin d’illustrer notre propos, il nous paraît important d’étudier le circuit de détection et de correction de défaut d’un driver d’IGBT [83] présenté en Fig. 4.2 Une ou plusieurs diodes de détection haute tension et rapides en série avec une résistance de découplage de forte valeur sont connectées à un amplificateur opérationnel qui va comparer la tension avec une tension de seuil. Dans le cas où le composant est bloqué, la ou les diodes tiennent la haute tension. S’il est passant, l’amplificateur opérationnel (AOp) voit la tension de drain moins la chute de tension des diodes et de la résistance. S’il y a un défaut, la tension sera supérieure au seuil. Alors, la sortie de l’AOp passera à l’état haut et le circuit commandera le blocage du composant par une coupure lente afin d’éviter une destruction du composant par surtension. Cependant, en fonctionnement normal, la mise en conduction du composant n'est pas instantanée et le circuit

Fig 4.1 : Formes d’ondes à l’amorçage pour un court-circuit de Type II (a) et Type I (c). Charge de la capacité de grille dans le plan tension – charge de la grille pour un court-circuit de type II (b) et Type I (d).

La zone hachurée en vert représente l’espace du plan dans lequel peut être effectuée la détection. vgs t vgsM vDrv+ t ids,vds vBus iLoad t ig 0 igPeak igM vDrv- iOC vgsov Qg vgs Q1 Q2 Q3 0 vgsM vDrv+ Qsc-FUL FUL NTO vDrv- Vref-FUL vStart Qref FUL X vgsov t4 (a) (b) Qg vgs Q1 Q2 Q3 0 vgsM vDrv+ Q_sc-HSF HSF NTO vDrv- X vref-HSF vStart Qref-HSF vgs t vgsM vDrv+ t ids,vds vBus iLoad Isat-Channel t ig t1t2 t3 0 igPeak igM t4 t0 isat vDrv- (c) (d)

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de protection peut ordonner faussement le blocage du composant à cause du délai de commutation de la tension. Pour pallier ce problème, l’installation d’un filtre en sortie du comparateur vient masquer la détection, pendant un temps suffisant, pour laisser commuter le composant à l'amorçage et laisser s'éteindre le régime oscillatoire qui suit. Ce délai correspond à quelques microsecondes de masquage donnant ainsi le temps de réponse minimal de la protection. Pendant ce délai, le composant doit être capable de tenir la puissance instantanée et, in fine, la quantité d'énergie correspondante sans être détruit. Pour répondre à ce besoin, les fabricants d'IGBT garantissent leurs composants pour une durée au moins égale, typiquement à 10 µs, ce qui permet d'aménager une marge de sécurité.

Cette méthode est aujourd’hui très utilisée pour détecter des défauts sur des IGBT moyenne tension dans les applications industrielles. Elle est bien adaptée à des composants bipolaires présentant un seuil de conduction "net" et une zone ohmique "à faible valeur, i.e à pente raide" amenant à une mise en saturation "franche" garantissant ainsi un seuillage robuste. De telles caractéristiques sont à l'opposé de celles des composants unipolaires tels le MOSFET SiC qui ne semble donc pas le mieux placé pour être protégé de cette manière et qui pourrait provoquer un déclenchement sur de simple surcharge en courant. Par ailleurs, cette méthode montre d'autres limites dans son utilisation sur des composants rapides mettant en jeu des dv/dt de commutation et des courants de saturations plus importants. L'augmentation de la puissance instantanée, à énergie de destruction donnée, conduit à devoir réduire le délai de réaction du circuit de protection à moins de 5 µs pour "sauver la puce". En effet, certains MOSFET SiC semblent bien moins robustes aux courts-circuits et les fréquences de commutations sont plus

Fig. 4.2 : Driver avec fonction de diagnostic et de protection sûre de défaut

Circuit de détection Circuit de correction

Tableau 4.1: Comparaison des méthodes de détection des court-circuits

Méthode Rapidité Facilité d’implémentation Coût Fiabilité

WBG Shunt ++ - - - - Sense FET ++ - - - - + Gate Charge ++ 0 ++ - Desaturation + + + + Méthode proposée - - + ++ ++

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importantes. La tenue à 10 µs pour 1000 cycles de court-circuit, bien connus pour les IGBT de classe industrielle, n'est aujourd'hui absolument pas garantie pour les MOSFET SiC. Par conséquent, le dispositif de détection devra être bien plus rapide et plus immunisé aux dv/dt. Ces contraintes sont en opposition avec la présence d'une diode haute tension (ou plusieurs diodes en série pour réduire la capacité parasite de déplétion équivalente) et d’un filtre en sortie du comparateur. Ces éléments diminuent fortement la réactivité et l'immunité. Néanmoins, une équipe de l’institut Royal de Technologie de Stockholm a montré que le système serait viable en utilisant des diodes à recouvrement rapides et de l’électronique très faible bruit [84] . Le défaut de ce système réside dans son prix pour une application industrielle.

II.A.5 Conclusion

Quatre méthodes de détection de court-circuit ont été présentées. Elles présentent des avantages et inconvénients, résumés dans le tableau 4.1, tels que la facilité d’implémentation, le coût, la fiabilité vis-à-vis des composants grand-gap et la rapidité.

Nous avons aussi montré qu'il n'y avait pas aujourd'hui de méthode performante "évidente", i.e. simple, robuste, rapide et intégrable sur driver en basse tension pour protéger un composant unipolaire comme le MOSFET SiC.

L’objectif de notre étude est de contribuer à pallier ce manque. Nous allons ainsi présenter la conception d'un driver basse tension permettant de faire une détection rapide de défaut en utilisant uniquement l’évolution singulière du courant de grille du MOSFET SiC. En effet, comme montré dans le Chap. II, les courants de grille statique et dynamique sont, respectivement, un marqueur du vieillissement du composant et un indicateur de court-circuit. Ce dispositif a comme avantage de n’utiliser que des composantes basses tensions et donc peu onéreux et intégrables sur un ASIC gate-driver. En revanche, il est tributaire de l’apparition du courant de fuite dynamique pour détecter le court-circuit, soit plusieurs µs. Cependant, il permet, sur le principe, de détecter avec la même circuiterie un niveau anormal de vieillissement de l'oxyde (ILD ou oxyde de champ mince) ce que ne font pas les autres méthodes de détection de court-circuit.

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II.B Principe de la détection du court-circuit par surveillance de la fuite de grille.