Résumé : Dans ce premier chapitre, nous décrivons un bref aperçu de l'état de l'art des transistors de puissance. Nous présentons également une vue d'ensemble de la commande,
gate driver et des défis rencontrés par le gate driver pour les dispositifs de puissance SiC. Ainsi, les fonctions de surveillance et de contrôle autour des transistors de puissance sont abordés. Ainsi, une étude approfondie de l'état de l'art du comportement des courts-circuits et
des méthodes de détection est développée.
Les activités de l'électronique de puissance consistent à fournir la capacité de transférer de l'énergie à une ou plusieurs charges électriques à partir d'une ou plusieurs sources d'énergie primaire. Afin de pouvoir contrôler, moduler et transférer l'énergie, les convertisseurs de puissance doivent utiliser au moins un interrupteur de puissance contrôlé. À cette fin, il existe une large gamme de commutateurs en technologie silicium (thyristor GTO, IGBT, MOSFET), ainsi que des composants semi-conducteurs à large bande interdite (SiC, GaN) disponibles auprès de divers fabricants et instituts de recherche, Figure 1. Les transistors à grille isolée tels que les MOSFET ou les IGBT doivent être pilotés par un circuit de commande, appelé "gate driver". Le but du circuit pilote de grille est de fournir, de contrôler et de gérer la charge et/ou la décharge de l'électrode de grille du transistor de puissance, et de permettre les changements d'état (de On à Off ou vice versa).
Figure 1. Évolution et Domaines d’applications ; des semi-conducteurs discrets de puissance [1].
Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le carbure de silicium (SiC), ont connu une évolution considérable ces dernières années. Les dispositifs à semi-conducteurs de puissance, tels que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et les dispositifs en silicium à super-jonction (SJ-MOSFET), sont limités en termes de vitesse de commutation
P h D t h e s i s o f B a r a z i Y a z a n P a g e 181 | 225 maximale et, plus généralement, avec des facteurs de mérite proches des limites théoriques du silicium [1], Figure 2. Par conséquent, les dispositifs de puissance en silicium présentent des pertes de commutation élevées et des systèmes de gestion thermique importants et coûteux, ce qui entraîne des limites en termes d'efficacité maximale du convertisseur et de fréquence de commutation. En revanche, les MOSFETs en SiC sont des dispositifs semi-conducteurs de puissance prometteurs pour les convertisseurs à haute densité, avec de faibles pertes de conduction et de commutation et une grande stabilité à la température [2]. À mesure que les MOSFETs SiC gagnent en maturité et que leur coût diminue avec le temps, les MOSFETs SiC devraient être adaptés et utilisés dans de plus en plus d'applications.
Figure 2. Propriétés matérielles du silicium, du carbure de silicium et du GaN
Cependant, les densités de puissance plus élevées qui sont appliquées à la puce posent la question de la durée pendant laquelle un dispositif de puissance en SiC peut supporter un défaut de court-circuit. Quelle que soit la robustesse du court-circuit, le défaut de court-circuit doit être désactivé dès qu'il est détecté afin de préserver le dispositif de la dégradation et d'éventuelles occurrences répétées de court-circuit. La tenue de court-circuit (SC) des MOSFETs en SiC est inférieure à celle des dispositifs en silicium [3], Figure 3. Les convertisseurs de puissance conçus avec ces composants sont donc moins robustes. Cette faiblesse doit être compensée par une protection dont le retard ne doit pas dépasser TSC/2, comme c'est le cas aujourd'hui pour les IGBTs silicum, ou encore moins si la robustesse aux SC répétés est requise.
Figure 3. Formes d'ondes expérimentales de courant sous court-circuit critique pour les MOSFET en SiC et les IGBT en Si (SiC MOSFET: 𝑽𝑫𝑺= 600V, 𝑽𝑮𝑺= 20V; Si IGBT: 𝑽𝑪𝑬= 600V, 𝑽𝑮𝑬= 15V) [4]
P h D t h e s i s o f B a r a z i Y a z a n P a g e 182 | 225 Les dispositifs à semi-conducteurs de puissance sont utilisés dans diverses applications industrielles, notamment les entraînements de moteurs, les chargeurs de batterie, les alimentations à découpage et les convertisseurs, avec un comportement typique (NTO), Figure 4 . Ces dispositifs sont exposés à plusieurs types de court-circuit (SC). Le défaut d'interrupteur dur (HSF, SC type I) et le défaut sous charge (FUL, SC type II) sont les deux principaux comportements de défaut, Figure 5 Figure 6. La sécurité est nécessaire pour ces applications typiques. Le HSF se produit lorsque l'interrupteur se met en marche avec une tension de bus permanente à ses bornes, généralement causée par des signaux de commande défectueux. En revanche, la condition de défaut de type II apparaît après le cycle de commutation des trois intervalles de temps normaux, notamment après t4, où le MOSFET est en mode ohmique à l'état passant VGS = VDrv+ et IDS = charge.
Figure 4. (a). Caractéristiques de commutation du MOSFET SiC dans les conditions NTO. (b). Circuit équivalent du demi-pont.
Figure 5. Caractéristiques de commutation du MOSFET SiC sous des conditions de HSF. (b). Circuit équivalent du demi-pont.
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Figure 6. . Caractéristiques de commutation du MOSFET SiC sous des conditions de FUL. (b). Circuit équivalent du demi-pont.
On peut remarquer brièvement, l'absence du plateau Miller, le changement sur les pentes au niveau de la tension grille-source, le changement au niveau du dVDS/dt et les surintensités au niveau du drain qui sont observées sous SC-HSF et SC-FUL. Comme il sera présenté ci-après, ce comportement distinctif est utilisé pour détecter et protéger le MOSFET SiC en cas de HSF. Différentes méthodes de surveillance et de protection des MOSFETs SiC sont étudiées et développées. L'objectif est de déterminer à quelle vitesse un défaut de court-circuit peut être détecté et à quelle vitesse il peut être désactivé. C'est pourquoi des analyses et des comparaisons détaillées entre les méthodes de détection des SC sont présentées.
Figure 7. Trois schémas de méthodes de surveillance (a). Méthode de la résistance shunt (b). Méthode SenseFet. (c). Méthode du transformateur [5].
P h D t h e s i s o f B a r a z i Y a z a n P a g e 184 | 225 Plusieurs types de méthodes de détection SC ont été proposés pour IGBTs silicium et MOSFETs SiC [6]. La plupart des techniques reposent sur la détection d’un niveau de tension ou de courant drain-source de valeur anormale par rapport à un seuil [7]. La détection en tension est bien adaptée aux composants bipolaires tels que l'IGBT mais nécessite l'utilisation d'une diode rapide haute tension tandis que la détection en courant utilisée pour le MOSFET et parfois pour l'IGBT requiert une puce spécialement conçue avec miroir de courant [8], une électrode de mesure supplémentaire et aussi une fenêtre de masquage relativement longue est nécessaire dans le cas de la méthode de détection de la tension drain-source afin d'atteindre un régime ohmique stable après le cycle de commutation [9], Figure 7 et Figure 8.
Différemment des méthodes précédentes, la méthode étudiée dépend de l'intégration rapide du courant de grille dans la séquence de charge de la grille à l’amorçage. La méthode connue sous le nom « gate charge » a déjà fait l'objet d'articles pour les IGBTs Silicium [10] et quelques résultats partiels pour les MOSFETs SiC en termes de performances et de mise en œuvre pratique [11], Figure 9.
Figure 9. Schémas de la méthode gate charge
Afin de concevoir entièrement un driver de grille avec différentes fonctions orientées protection et sécurité, dédié aux MOSFETs SiC, la caractérisation électrique des MOSFETs SiC est obligatoire. Les principes de base des pilotes de grille et leurs principales exigences sont étudiés. Différentes architectures de commande de grille sont examinées, afin de se familiariser avec l'environnement des fonctions de détection des SC.