Transfert d’ordres de commande

Un bras de pont à commutation synchrone avec son circuit de commande rapprochée ainsi que la partie isolée du circuit éloigné de la logique de commande, est représenté à la Figure IV-5. Le générateur des ordres de commande est référencé à la même référence fixe que le transistor GaNLS

et son alimentation VCC.

Figure IV-5 Schéma de principe d’un circuit de commande de grille standard

Trigger de Schmitt Buffer IN NMOS PMOS ^VCC GaNHS VDD VCC GaNLS VSS NMOS PMOS Buffer Inverseur et Retard tdHS=tdLS dsPIC Circuit de décalage ou isolation galvanique VDC VSS VDC

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Le signal de commande IN peut donc être directement connecté aux étages d’amplification (Inverseur – Buffer – Push-Pull) du transistor LS. Ce n’est pas le cas pour la voie HS pour laquelle l’alimentation est référencée à un potentiel flottant par rapport au référentiel de la partie commande (Vss dans cet exemple). Le signal IN étant incompatible en l’état avec le driver du transistor HS, un circuit de décalage ou d’isolation du signal IN est nécessaire pour que son image, référencée à la source de circuit de puissance et le générateur de logique de commande, soit utilisable par le

driver HS. En général deux types de circuit de transmission d’ordres de commande peuvent être

étudiés : des circuits à isolation galvanique et le circuit non-isolé de décalage de niveaux de tension,

dit Level-Shifter. L’isolation galvanique peut être réalisée en convertissant le signal électrique, soit

en signal lumineux [32], soit en signal magnétique grâce à un transformateur (Coreless [124] et/ou avec circuit magnétique [31]) ou soit en ordres radiofréquences avec le coupleur radiofréquence [125]. Dans [108] il est montré que le temps de propagation des ordres de commande ainsi que la dispersion des délais de propagation à travers les circuits d’isolation ou de décalage des signaux, varient beaucoup d’un système à l’autre et les circuits à décalage présentent de plus faibles délais de propagation que les circuits à isolation galvanique. Parmi les circuits à isolation galvanique, le transformateur d’impulsions présente aussi un temps de propagation et des dispersions plus faibles que les autres circuits à isolation galvanique. Nous allons par la suite détailler brièvement le fonctionnement du transformateur d’impulsion et du Level-Shifter, circuits largement répandus pour la transmission d’ordres de commande à un transistor HS.

(a) Transformateur d’impulsion

Ce transformateur non seulement permet de transmettre le signal mais aussi l’alimentation de la commande locale. Dans notre cas le Bootstrap est inutile avec le transformateur d’impulsion. De plus, un seul transformateur peut être utilisé pour isoler plusieurs commandes identiques ou complémentaires (Figure IV-6.) Pour cela il suffit de placer plusieurs enroulements au secondaire et d’adapter leur sens de couplage.

Figure IV-6 Le transformateur d’impulsion multi-enroulements au secondaire pour commander un bras de pont

Dans le cas de l’utilisation d’un transformateur pour commander un bras, les tensions grille-source des transistors GaN seront symétriques, ce qui pourrait augmenter les pertes pendant les temps morts. Pour contrer ce problème on peut rajouter au secondaire du transformateur une diode et une capacité comme détaillé dans [31]. Néanmoins cette solution semble peu adaptée aux transistors

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GaN pour lesquels on souhaite éviter¹ les tensions grille-source négatives et dont les tensions de commande sont faibles. Le transformateur reste difficile à intégrer de manière compatible avec une technologie CMOS au sein du gate driver. Le seul moyen d’intégrer un transformateur avec noyau est l’intégration hybride ce qui introduit des temps de propagation dépendant de la connectique employée et donc une dispersion des ordres de commande.

D’autres types de circuit de commande à isolation galvanique avec transformateur d’impulsion sans noyau – dit Coreless – ont été présentés [124], associés à un circuit encodeur au primaire et d’un circuit décodeur au secondaire. Le taux d’intégration du transformateur Coreless est meilleur que le transformateur avec noyau magnétique. Dans [126] nous pouvons voir les résultats obtenus avec ce circuit à isolation galvanique, ce qui représente une bonne immunité à fort dV/dt mais la consommation, le délai de propagation et la dispersion des ordres de commande sont très importants. De plus les capacités parasites entre primaire et secondaire de transformateur (CP-MC) peuvent créer de fortes circulations de courant de mode commun dans le circuit de commande de grille, ce qui génère des perturbations dominantes sur les signaux de sortie du gate driver. En outre, quand les signaux transmis doivent être modulés à très haute fréquence (@GHz) à travers l’encodeur, le circuit de commande et le transformateur deviennent une source d’émission électromagnétique qui peut poser problème vis-à-vis des autres périphériques voire des normes à respecter.

(b) Level-Shifter

Le principe du transfert d’ordres de commande au transistor HS par l’intermédiaire d’un bloc adaptateur de niveau de tension, dit Level-Shifter, est représenté à la Figure IV-7. Dans un tel circuit, l’information référencée à la source du transistor LS (VSS) est décalée à la référence du transistor HS par l’intermédiaire d’un transistor haute tension TLevel-Shifter. C’est la tension de claquage de ce transistor qui va limiter la tension d’utilisation du Level-Shifter.

Figure IV-7 Schéma de principe du circuit de commande de grille avec adaptation de tension à l’aide d’un Level-Shifter

Dans un tel circuit de commande de grille, la sensibilité du Level Shifter est liée au courant de la source de courant crée avec le transistor haute tension. Le temps de conduction du TLevel-Shifter et le temps de passage du courant dans la RLevel-Shifter doivent être minimisés car ces derniers génèrent des pertes supplémentaires. Dans cette perspective un générateur d’impulsion avec un bras de

1 Un niveau négatif de tension d’alimentation implique sa production, donc un impact sur la densité de puissance, la complexité et la fiabilité. Par contre le problème de « current collapse » associé aux transistors GaN peut exiger la présence d’une tension négative pour commander la grille au blocage.

V T L e v e l-S h if te r Trigger de Schmitt Buffer IN NMOS PMOS ^VCC GaNHS VDD VCC GaNLS VSS NMOS PMOS Buffer Inverseur et Retard tdHS=tdLS dsPIC VDC RLevel-Shifter TLevel-Shifter CP-MC

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Shifter supplémentaire et ensuite une bascule RS peuvent être ajoutés après le Level-Shifter (Figure

IV-8) afin de limiter les pertes dans les transistors ainsi que les résistances du Level-Shifter.

Figure IV-8 Schéma de principe d’un Level-Shifter avec générateur d’impulsion

Dans le cas avec impulsion de courant dans les résistances du Level-Shifter, la consommation du circuit de décalage est plus faible que celle dans les circuits précédents, pour un cahier des charges identique. Le temps de propagation et la dispersion correspondants sont plus faibles par rapport aux circuits de commande à isolation galvanique. Par rapport au transformateur d’impulsion, le

Level-Shifter a des capacités parasites moins importantes. Ces capacités consistent en la somme des

capacités parasites des transistors du Level-Shifter entre le drain et la source (CP_MC). Concordant en tous points, cette technique de transmission des signaux est intégrable de manière monolithique grâce à l’absence de circuits magnétiques et/ou de combinaisons optiques. A cet effet, quand dans

un gate driver HS, l’isolation galvanique n’est pas demandée pour une application basse tension si

et seulement si la tension VTLevel-Shifterne dépasse pas la valeur VDSmax du transistor du Level-Shifter TLevel-Shifter, le circuit de décalage de niveaux de tension (Level-Shifter) peut satisfaire aux exigences de commande rapprochée d’un transistor HEMT à haute fréquence. Nous avons étudié un circuit

Level-Shifter compatible avec les applications à basse tension, très basse consommation, haute

température et haute fréquence, compatible avec les contraintes de mise en œuvre de transistors GaN dans un convertisseur synchrone à pont complet comportant quatre gate drivers identiques (QGD : Quad-Gate-Driver), avec une tension de claquage au niveau du Level-Shifter de 100 V à 200 V.

ii. Spécifications et caractéristiques