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

Le but du circuit qui a été développé durant cette thèse est de détecter une situation de court-circuit de type I, type II et un vieillissement de l’oxyde de grille. La détection est effectuée par une mesure du courant de grille à travers la résistance de grille.

En effet, comme présenté dans le Chap 2.III.B tous les composants MOSFET SiC étudiés présentent une fuite de grille « dynamique » durant un stress en court-circuit, ce stress étant causé par un phénomène de conduction à travers l’oxyde de grille appelé émission Schottky, présenté Chap 2.IV, qui est déclenché par l’intense température de la puce. Ce courant apparait à environ TSC/2 ce qui donne le temps de bloquer au plus vite le composant et de

« sauver » la puce. Cependant, à TSC/2 ce courant est très faible et augmente avec une faible

dynamique. Il convient à l’organe de détection de pouvoir mesurer ce faible courant et d’être robuste aux perturbations pouvant venir du circuit de puissance.

De plus, comme vu dans le Chap 2.V.D, nous pouvons aussi être en présence d’un court- circuit de type II, dans ce cas, en plus d'une fuite « dynamique » analogue à celle du type I, un courant capacitif de réinjection vers le buffer causé par un dVDS/dt ohmique apparait dès le

début du court-circuit. Si l’on considère par convention que le courant de fuite « dynamique » est positif, le courant capacitif relatif au type II sera de signe négatif. En

Tableau 4.2: Cahiers des charges sur la détection des différents événements

Type de défaut à détecter Cahier des charges

Court-circuit Type I Protection rapide (<500ns)

Mesure courant positif faible niveau (≈10mA)

Court-circuit Type II Mesure courant négatif transitoire court

Fuite permanente Mesure courant faible niveau positif et négatif

Fig 4.3 : Schéma de principe de la fonction de protection −5Vs Driver IXDN Rg 20V_s V _s G DUT S D Traitement du défaut et du signal de commande Communication DSP V_s

Mesure du courant de grille hors commutation

• fuite dynamique (CC)

• fuite permanente (dégradation) • courant capacitif (CC Type II)

Signal défaut

Commande

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revanche ce courant est bien plus rapide et de plus forte amplitude que ce qui est mesurable en type I

Enfin, comme vu dans le Chap 2.VI.B, un courant de fuite « permanent » peut apparaitre par un effet de vieillissement du composant. Sous 20V, ce courant peut être compris entre 100 µA et 100 mA. La présence d’un courant si important est un indicateur qu’il faut arrêter le convertisseur pour remplacer le composant. Il convient donc de pouvoir détecter ce courant et agir en conséquence. Dans notre étude, il n’y a pas de discrimination entre un courant de fuite

« permanent » et le courant de fuite « dynamique » vis-à-vis de la détection et la gestion du défaut. Dans les deux cas, nous envoyons un ordre de blocage au composant et un signal unique de défaut. Le cahier des charges de l’organe de détection est décrit tableau 4.2.

Le schéma de principe de l’organe de détection est présenté Fig. 4.3. Il s’articule autour de 2 fonctions distinctes la détection d’un courant de ±10 mA qui génère un signal de défaut. Une intelligence au plus proche du driver qui va gérer numériquement le signal de défaut, la commande du driver et la communication avec le DSP qui contrôle le système.

Le courant de grille est mesuré aux bornes de la résistance de grille externe à la puce qui joue un rôle de shunt. Classiquement, pour des composants en SiC, la résistance de grille est de très faible valeur (entre 1Ω et 27Ω par puce), mesurer un courant de ±10 mA, implique mesurer une tension entre 10 mV et 270 mV.

L’intelligence intégrée au driver doit être en mesure de bloquer de manière lente le composant et de manière permanente en cas de défaut. Elle doit aussi être en mesure de commander le composant en accord avec la consigne de commutation s’il n’y a pas de défaut. Il doit aussi y avoir une communication avec l’extérieur afin de pouvoir effacer la mise en défaut ou recevoir un signal de défaut extérieur.

Fig. 4.4 : (a) Carte mère présentée dans le Chap 2 (b) Gate driver utilisé pour caractériser les composants en court-circuit (c) premier prototype de l’organe de détection (d) second prototype intégré en 2 morceaux

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Pour satisfaire l’objectif de rapidité de réaction et dans une volonté de compacité, l’ensemble de l’organe de protection est intégré au plus proche du composant de puissance et au potentiel de la source (ou de la source kelvin si elle existe).

Comme évoqué dans le Chap. 2.II.B, la carte de test en court-circuit a été pensé pour pouvoir changer facilement le driver existant en prévoyant une place plus importante pour pouvoir en connecter un autre, emplacement en rouge sur la Fig. 4.4a.

Dans un premier temps, un prototype a été développé en « fil volant » avec l’utilisation de composants conventionnels afin de valider le principe de détection et l’intelligence est seulement composée d’une porte logique, Fig. 4.4c. Dans un second temps, deux circuits imprimés très intégrés utilisant des composants montés en surface ont été développés. Un circuit intègre la partie détection et le gate driver. Un second circuit intègre la partie intelligente composée d’un CPLD programmable. Une photo de ce driver est présenté en Fig. 4.4d. II.B.2 Méthodes de mesure du courant de grille

L’organe de détection doit être capable de mesurer une différence de potentielle aux bornes de la résistance de grille comprise entre 10 mV et 270 mV. Cependant, la différence de potentielle n’a pas un mode commun stable. Le mode commun varie entre Vbuffer(on) et Vbuffer(off)

(20 V et -5 V) dans notre cas et la tension différentielle maximale est de Vbuffer(on)- Vbuffer(off) (25

V).

- La solution la plus directe est d’utiliser un amplificateur différentiel rapide aux bornes de RG et référencé à la source Kelvin du composant de puissance (0 VS). Il convient ensuite de

comparer la valeur de sortie de l’ampli au seuil de détection voulue comme présentée en Fig. 4.5a. Le principal inconvénient de cette méthode est de trouver un composant rapide pouvant supporter l’important mode commun et différentiel. Il apparait rapidement que les amplificateurs rapides sont limités en mode commun et différentiel. Il faut alors utiliser des composants plus capacitifs et donc plus lents. Cette approche n’a pas été retenue.

(a) (b)

Fig. 4.5 : Schéma de principe des méthodes de mesure du courant de grille. (a) Amplification différentielle de la tension aux bornes de la résistance de grille. (b) Comparaison de la tension sur une résistance de grille placée entre la source et la référence de potentielle du driver.

−5Vs Driver IXDN Rg PWM 20Vs - 20V_s 0Vs V s G DUT S D 0Vs + + - 0Vs Vref Signal défaut Amplificateur Comparateur −5VDr ver Driver IXDN PWM 20 VDr ver V _s G DUT S D 0VDr ver + - 0VDr ver Vref Signal défaut Rg Comparateur

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- La seconde approche consiste à placer RG sur la branche de retour de la maille de grille

comme présentée en Fig. 4.5b. Le circuit driver est n’est donc plus référencé à la source kelvin. Le comparateur est donc référencé à la tension de référence du driver (VDriver) et

compare le seuil de détection à la source kelvin. Cette solution élégante, présentée dans [85], nécessite de devoir dissocier la source kelvin du DUT du 0Vs ce qui n'était pas possible sur le PCB de notre carte de puissance (carte conçue antérieurement à l'étude du driver). - La dernière solution consiste à utiliser un comparateur directement aux bornes de RG. Dans

ce cas, le comparateur doit être référencé à Vbuffer ou VGS pour ne plus avoir de mode

commun. Cela impose d’utiliser une seconde alimentation isolée ainsi qu’un opto-coupleur pour faire passer le signal à la référence du driver et donc un coût supplémentaire et une consommation plus importante (opto) mais permet d’avoir une détection rapide et peu bruitée. Cette solution présentée en Fig. 4.6 a été choisie pour la réalisation des prototypes.