HAL Id: jpa-00249282
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Submitted on 1 Jan 1994
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Etude comportementale de la commutation d’un transistor MOSFET de puissance
E. Farjah, J. Roudet, J. Schanen
To cite this version:
E. Farjah, J. Roudet, J. Schanen. Etude comportementale de la commutation d’un transistor MOSFET de puissance. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (12), pp.2531-2555.
�10.1051/jp3:1994296�. �jpa-00249282�
Classification Physics Abstracts
07.50 72.20H
Etude comportementale de la commutation d'un transistor
MOSFET de puissance
E. Farjah, J. Roudet et J. L. Schanen
Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, L.E.G.-E.N.S.I.E.G.-C.N.R.S.-URA355, B-P. 46, 38402 Saint Martin d'Hbres Cedex, France
(Regu le 28 fdvrier 1994, rdvisd le 12 juillet J994, acceptd le J3 septembre 1994)
Rksumk. Le but de ce travail est de prdsenter une moddlisation comportementale d'un MOSFET de puissance en commutation. Aprbs avoir citd les diffdrents travaux effectuds dans ce domaine,
une approche intdressante du point de vue de l'utilisateur est pr6sentde. Cette approche est basde
sur la mesure des grandeurs extemes du MOSFET (tensions et courants) dans une cellule de
commutation donnde. Diverses phases sont extraites pendant l'ouverture et la fermeture, et les
Equations dlectriques relatives h chacune d'entre elles sont donndes. Le modble prdsentd ndcessite peu de parambtres ceux-ci peuvent de plus dtre facilement obtenus. Enfin, une Etude de sensibilitd est men6e sur ce modble, afin de ddterminer ses limites de validitd. Celle-ci permet en outre une
meilleure connaissance des parambtres influant sur la commutation.
Abstract. In this paper, after a review of different works carried on power MOSFET modeling,
an interesting approach is presented. This approach is based on the measurements of MOSFET extemal currents and voltages in a specified switching cell. Different phases are recognized during
turn-on and turn-off and related systems of equations are defined to represent the MOSFET
behavior. This model needs few parameters, which can be easily determined. Besides, a sensibility study is carried out, in order to determine the model limitations. This study allows furthermore a
good understanding of different factors affecting the switching.
Nomenclature
L~ inductance parasite de maille due h la connectique
r~ rdsistance parasite de maille due h la connectique ;
L~ inductance sdrie de grille ;
r~ rdsistance de grille ;
L~ inductance de connection du MOSFET du c6td drain ;
L~ inductance de connection du MOSFET du c6td source
C~~ capacitd parasite du MOSFET grille-source ; C~~ capacitd parasite du MOSFET grille-drain Cds capacitd parasite du MOSFET drain-source
@Les Editions de Physique 1994
C~~~ capacitd parasite du MOSFET grille-source, drain et source connectds C~~~ capacitd parasite du MOSFET drain-source, grille et source connectds C~~~ capacitd parasite du MOSFET grille-drain
V~~ tension d'alimentation continue
I~~ courant de charge ;
g~ transconductance du MOSFET
V~~ tension de seuil du MOSFET ;
U~ signal de commande ;
V~~ tension exteme grille-source ;
VI tension inteme grille-source du MOSFET (variable d'dtat) ;
V~~ tension exteme drain-source du MOSFET
V~ tension inteme drain-source du MOSFET (variable d'dtat)
E~ chute de tension directe de la diode h l'dtat passant ;
V$~~ tension de la diode de roue libre (variable d'dtat) ; I~,~~~ courant de la diode
I~ courant de recouvrement de la diode (valeur basde sur une expdrimentation)
I~~~ courant actif du MOSFET
If courant drain-source du MOSFET (variable d'dtat)
II courant de grille (variable d'dtat).
1. Introduction,
1.I PRfSENTATION G#N#RALE DU PROBL#ME. L'dlectroniqUe de pUissance est Une disci-
pline complexe. Si son fondement mdme repose sur un fonctionnement boolden donc en apparence simple, [es divers constituants des convertisseurs sont bien souvent sollicitds dans des modes opdratoires qui ndcessitent de bien connaitre (es phdnomknes physiques qui (es
rdgissent.
De ce fait, l'utilisation de l'ordinateur dans la conception des dispositifs d'dlectronique de
puissance progresse moins vite que dans d'autres domaines comme la microdlectronique oh l'on teste l'assemblage d'un certain nombre de fonctions de base dont (es caractdristiques sont
connues.
La premikre ddmarche a consistd h s'affranchir des problkmes de commutation en considdrant (es interrupteurs semi-conducteurs comme iddaux et ne cherchant h obtenir que (es formes d'ondes globales du convertisseur d'dlectronique de puissance.
Les interrupteurs iddaux sont remplacds soit par des rdsistances prenant des valeurs binaires c'est la famille des simulateurs nodaux ou h topologie fixe (SUCCESS, CIRCUIT...) [I], soit par des court-circuits ou circuits ouverts ce qui permet ensuite d'obtenir des configurations
topologiques de circuit de puissance beaucoup plus simples et donc faciles h traiter ; il s'agit de la famille des logiciels h topologie variable dont un reprdsentant est SIMUL... [2].
En ce qui concerne la simulation des interrupteurs de puissance, ce sont (es physiciens du
semi-conducteur qui se sont attachds h moddliser le comportement interne du cristal et ce, afin d'obtenir des outils ndcessaires h l'amdlioration des performances intrinskques du compo- sant [3].
Ils ne se sont que peu intdressds au comportement dlectrique vu du c6td circuiteur, et (es moddlisations qui ont dtd faites utilisent des environnements qui ne correspondent souvent pas h l'utilisation rdelle du composant au sein de la structure de puissance. L'architecture mdme de
ces logiciels ne permet pas toujours d'intdgrer autour du moddle de semi-conducteur un
environnement complexe reprdsentant la rdalitd de la connectique.
En outre ces modkles, forts complexes, ndcessitent un grand nombre de paramktres physiques du semi-conducteur que l'on maitrise mal et dont l'obtention demanderait
pratiquement une identification non pas gdndrique mais d'une sdrie de fabrication voire de chaque composant particulier [4, 5].
Aujourd'hui, la conception de convertisseurs d'dlectomique de puissance h haute perfor-
mance ndcessite de disposer lors de la simulation globale du convertisseur de modkles de semi-
conducteur plus sophistiquds que des rdsistances ou des courts-circuits. Dans la plupart des cas, il n est pas ndcessaire d'employer (es modkles exacts mis au point par (es physiciens, pour
obtenir les informations ndcessaires au circuiteur ; contraintes instantandes supportdes par des semi-conducteurs, aspects CEM, pertes..
Ii apparait donc ndcessaire de ddvelopper des modbles comportementaux ou macroscopiques
de semi-conducteurs bien adaptds h rdsoudre (es problkmes dvoquds ci-dessus et dont la
simplicitd autorise l'implantation dans les logiciels dont on a fait dtat prdcddemment.
En conclusion, it existe un vide entre des logiciels d'analyse globale et les logiciels trbs
spdcialisds de conception de semi-conducteur que ce soit pour dtudier les aspects CEM ou
thermique voire le simple respect des contraintes maximales admissibles pour le composant au
sein du convertisseur.
Le travail que nous prdsentons, qui ne concerne que la commutation du transistor MOSFET de puissance, a donc pour but de pallier cette carence. Le modkle que nous proposons d'dtudier
aujourd'hui n'est pas nouveau, puisque prdsentd par de trks nombreux auteurs [6, 7], mais
nous souhaitons (valuer son apport dans le contexte de la conception fine de convertisseur en
dlectronique de puissance.
Etudier la commutation de quelque interrupteur que ce soit ne peut se faire pratiquement
sans tenir compte de l'autre interrupteur constituant le bras de la cellule de commutation. Nous choisirons comme exemple la cellule hacheur qui est la seule h permettre l'dtude des deux commutations forcdes de l'interrupteur semi-conducteur (fermeture et ouverture). En effet le fonctionnement des cellules de commutation en commutation naturelle s'appuie sur les dldments passifs et masque bien souvent le comportement intrinskque du composant. Cette Etude peut perrnettre d'identifier l'origine des phdnomknes durant la commutation, et de
ddterminer s'ils sont fixds par le semi-conducteur ou par son environnement. La rdpon~e h ces
questions peut permettre une amdlioration des procddds de commande voire l'dlaboration de
rkgles de conception concernant le c&blage du semi-conducteur au sein du convertisseur.
Le modkle que nous utilisons pour rendre compte des phdnomknes de recouvrement de la diode de puissance (Fig. ) est peu performant mais ses insuffisances ne remettent pas en cause
les rdsultats et les conclusions que nous pourrons tirer de cette Etude. La diode en polarisation
directe est assimilde h une force contre dlectromotrice. Dans sa phase de recouvrement, son
comportement est moddlisd par un simple condensateur, constituant avec l'inductance de maille un circuit oscillant; on abandonne ce circuit h lui-mdme avec un courant initial
I~~. I~ est fourni par les donndes constructeur, et une interpolation des abaques constructeur peut permettre aisdment de lier ce paramktre au dI/dt imposd h la diode.
Afin de ne pas compliquer l'Etude, cette ddpendance du courant de recouvrement de la diode
1,~ en fonction du gradient de courant appliqud n a pas dtd prise en compte. Des travaux intdressant concemant la moddlisation comportementale de la diode ont dtd mends [8] et
pourraient dtre intdgrds h ce travail (ou rdciproquement), dans la mesure oh l'approche du
problbme est identique.
1.2 MtTHODOLOGIE ET OBJECTIF. En rant que circuiteur, comment ne pas dire frappd par
l'importance de l'environnement du semi-conducteur sur sa propre commutation ?
C'est de cette considdration qu'est nde l'idde d'(valuer les limites d'une approche boite noire du semi-conducteur en commutation.
- - - Mesure expdrimentale
sur une diode progressive
° Forme d'onde du modble
Irrn
Moddle en Moddle en
polarisation recouvrement dkecte
bra
Fig. I. Modble de la diode.
[Diode model.]
Ii existe dans la littdrature, surtout en ce qui conceme le transistor MOSFET, de nombreux modkles simples, faciles ~ implanter dans un processus de rdsolution numdrique. L'idde consiste donc h considdrer un modkle reconnu par tous et h prendre en considdration la
variation de certain de ses paramktres le caractdrisant, en fonction des grandeurs dlectriques
extemes, et surtout d'ajouter (es 61dments parasites (inductance de maille, de grille, rdsistance de grille) dont l'influence ne peut pas due ndgligde lors de la commutation.
Les rdsultats de simulation obtenus sont compards ~ l'expdrimentation et permettent d'amdliorer le moddle du processus de commutation et d'effectuer un calage de certains
paramktres de ce modkle. Lors de l'acquisition des courbes expdrimentales, une bonne connaissance des problkmes de mesure est indispensable [9] afin de permettre une interprd-
tation correcte des ph6nomknes.
Le risque est grand lors d'une telle approche, de trouver les paramktres optimum du moddle pour un point de fonctionnement bien prdcis, et que ceux-ci ne correspondent pas du tout h une utilisation autour d'un autre point de fonctionnement. C'est pourquoi nous avons mend une Etude de sensibilitd sur les divers paramktres du modkle afin de ddterminer ceux dont la
variation doit dtre dvalude avec prdcision et ceux dont l'influence est peu marqude. Cette Etude de sensibilitd justifie dgalement son utilitd dans une meilleure comprdhension des diffdrentes
relations existant entre (es dldments participant h la commutation. Durant la commutation il est en effet parfois difficile d'identifier la cause et l'effet, de par la structure bouclde du modkle
utilisd.
L'outil de simulation joue ici un rble important, dans la mesure ok il permet cette Etude de sensibilitd d'une manikre beaucoup plus simple qu'en expdrimentation.
2. Description du modme de commutation du transistor MOSFET et de son environnement.
La figure 2 montre le circuit de puissance utilisd comme support expdrimental.
2.I L'ENVIRONNEMENT DES SEMI-coNDucTEuRs DE PUISSANCE. L'dtude rdaliste de la
commutation ne peut pas se faire notamment sans la prise en compte de l'inductance de la maille de puissance, dont (es effets se manifestent essentiellement dans l'allure des tensions lors de la fermeture ou de l'ouverture de l'interrupteur, mais aussi, comme on le verra sur
l'allure des courants.
Si la rdsistance des ciblages en continu est faible, il faut tenir compte du fait que cette valeur doit ~tre estim6e h la frdquence des signaux existants durant la commutation. Cette ddmarche
est de toute premikre importance, puisqu'elle pourrait notamment permettre d'expliquer
u~r
1_f
isv-isv
tm td
Fig. 2. Circuit de puissance et modble du gdndrateur de commande U~.
[Power circuit and input drive waveform (UT ).I
,
pourquoi les facteurs d'amortissement entre thdorie et simulation sont pour l'instant encore diffdrents. En ce qui conceme le circuit de grille, tenir compte de la rdsistance des pistes n'est pas ndcessaire car celle-ci est bien souvent masqude par la rdsistance de sortie de l'dtage de
commande.
On se contente pour l'instant de reprdsenter l'effet de la commande par un gdndrateur de
du~
tension uT de pente fixde. L'expdrimentation foumit la valeur de la pente aussi bien h
dt
"amorpage qu'h l'ouverture de l'interrupteur, Les temps de transition de cette commande
(Fig. 2) ont dtd fixds volontairement brefs de fapon ~ ne pas avoir h considdrer son Evolution lors du franchissement de la tension de seuil du transistor MOSFET. Par contre, la prdsence de
l'inductance de grille doit fitre prise en considdration, surtout dans le cas de commandes trks rudimentaires comportant un transformateur d'impulsion vdhiculant h la fois l'information et
l'dnergie ndcessaire h la charge des capacitds parasites du MOSFET. L'inductance L~ sera alors en grande partie l'inductance de fuite du transformateur d'impulsion.
2.2 MODtLE DE MOSFET. Durant la commutation, le transistor MOSFET passe de l'dtat
bloqud h l'dtat saturd et rdciproquement en ayant un fonctionnement lindaire (prdsence de
courant et tension simultandment dans l'interrupteur). Il parait donc naturel d'utiliser le schdma
Equivalent du transistor MOS en rdgime lindaire qui est reprdsentd par la figure 3.
cgd Ld
icgd feds
~
Cgs *
~ iCgS
Ls
Fig.
symbole « ».
[Linear
Le gdndrateur de courant est sous la forme g~(V~~-V~~). g~ est proportionnel h V~~ au-dell de V~~, si bien que le courant I~~~ varie de fapon proportionnelle h V(~.
Nous considdrons une variation dynamique des capacitds parasites C~~, C~~ et C~~ avec la tension V~~ autour d'un point de fonctionnement (abaque fourni par le constructeur [101) mais aussi la variation de C~~~ (ou C,~~) avec la tension VI, qui rdsulte aux bornes de cette capacitd parasite. Cette approche permet toujours d'dcrire la relation reliant le courant dans un
condensateur h la tension h ses bomes (I
=
C dV/dt); en effet, la notion de capacitd
« dynamique » telle que dq = C dV (dq
=
variation de charge) conduite h
= dq/dt = C dV/dt.
A noter que ces variations sont importantes pour des valeurs de V~~ comprises entre 0 et 50
V. Par ailleurs nous pendrons en considdration (es variations du gain g~ de la source de courant avec la valeur de VI.
Les donndes constructeur (Fig. 4a) traduisent la ddpendance des capacit6s C,~, C~~~ et
C~~ vis-h-vis de la tension V~~. Elles correspondent h des essais rdalisds dans des conditions particulibres
C,~~. capacitd parasite du MOSFET grille-source, drain et source connectds (C~~ + C~~) ;
C~~~. capacitd parasite du MOSFET drain-source, grille et source connect6s (C~~ + C~~) ; C~~~, capacitd parasite du MOSFET grille-drain.
Ces donndes bien commodes pour l'explication qualitative des phdnombnes doivent dtre exploitdes diffdremment afin d'dtre introduites dans (es Equations diffdrentielles ; en effet nous
avons besoin des valeurs C~,, C~~ et C~~ en fonction de V~~. De plus, une dchelle lindaire
permet de mieux apprdhender (es variations (Fig. 4b).
On notera que C~~ ne prdsente pas de ddpendance significative vis-h-vis de la tension
V~~.
Lors d'une commande faisant appel h une polarisation ndgative de la grille, nous avons
constatd que l'dvolution de la grandeur V~~ ne prdsentait pas la consante de temps attendue dans la phase ok la tension de grille est infdrieure h 2 V sur (es transistors MOSFET que nous
avons utilisds, ce qui implique que pendant cette phase C
~~~
et principalement C
~~ n'ont pas les valeurs indiqudes par la figure 4a et qu'elles ddpendent dgalement de la tension V~~.
Une mesure expdrimentale faite au pont d'impddance a confirmd cet aspect. D'ailleurs, le
constructeur Motorola dans ses notices constructeur de 1993 commence h foumir cette
indication pour certains de ses transistors.
La figure 5 illustre ce propos. Nous prendrons en considdration cette variation au cours du processus de rdsolution.
Un autre paramktre varie avec (es grandeurs dlectriques extemes, il s'agit du gain en courant
g~ dont la ddpendance avec VI est facile h prendre en considdration h partir soft de l'abaque donnde par le constructeur soit d'une mesure effectude sur un traceur du type TEKTRONIX.
La figure 6a montre l'abaque foumi par le constructeur tracde sur une dchelle lindaire, et la
figure 6b en extrait le paramktre g~.
Pour (es valeurs de capacitds parasites ou de gain du gdn6rateur g~ il sera int6ressant de conduire une Etude de sensibilitd pour (valuer leur impact sur (es grandeurs en commutation,
essentiellement dildt et dV/dt (Sect. 4.I.I).
3. Exploitation des modkles.
Nous avons mis ici en leuvre la mdthode numdrique de Runge Kutta 4-4 afin de rdsoudre (es
Equations diffdrentielles qui ddcrivent la commutation.
Certaines variables d'dtat du systbme ont dtd retenues et le vecteur d'dtat ainsi constitud est calculd h chaque pas de calcul. Les variables d'dtat sont affectdes du symbole « * ». Ayant de
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Vds (volts) al
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vds (volts) b)
Fig. 4. a) variations dynamiques de Cj,,, C~,,, C,,, en fonction de V~, b) variations dynamiques de
C~,, Cd,, C~d en fonction de Vd; La mesure est effectude sous une polarisation V~, continue.
[a) Cj~,, C~,,, C,,, dynamic variations as a function of V~,. b) C~, C~,. C~~ dynamic variations as a function of Vd; Measurements are made by biasing V~, with a continuous voltage.
cette fapon accks aux grandeurs VI, V( it est ensuite possible de prendre en compte h chaque
pas de calcul (es variations des capacitds parasites et du gain du gdndrateur en courant en
fonction des dites grandeurs.
Les abaques constructeurs ou (es mesures sont stockdes sous forme de fichier, par
interpolation lindaire, les valeurs des dldments variables sont connues pour chaque pas de calcul. Des tests effectuds sur les grandeurs addquates permettent dgalement de modifier le
systkme d'dquations diffdrentielles en fonction de I'(tat du semi-conducteur. Plusieurs phases
9000
: j
~~~y~ ...,.-i...
j ;
~~~y~ ..I...
jf -- Ctss
~ 6000
1 j
;
5000
~~y~~ .~
3000
12 10 8 6 4 2 0 2
vgs (volts) Fig. 5. variations de C,~~ en fonction de V~,.
[C,~~ variations as a function of V~~,I
de fonctionnement sont mises en Evidence par l'dtude phdnomdnologique effectude sur (es relevds expdrimentaux de commutation. Pour le MOSFET, trois fonctionnements successifs
apparaissent et ne mettent en jeu en fait que deux systkmes d'dquations diffdrents. Il s'agit du fonctionnement en rdgime lindaire du MOSFET et le rdgime bloqud ou saturd dans lesquels
l'dvolution du circuit de grille se fait de manikre inddpendante de celle du circuit de puissance.
Par ailleurs viennent se rajouter h ces phases, des changements d'dtat de la diode. Nous ddtaillerons chacune de ces phases en analysant le processus de commutation h l'ouverture et h la fermeture dans (es paragraphes suivants.
L'inconvdnient d'une telle mdthode rdside dans le fait que l'on doit choisir un pas de calcul
plus faible que la plus petite constante de temps des Equations diffdrentielles du premier ordre constituant le systdme. Cependant, le fait de ne s'intdresser qu'h la cellule de commutation permet de limiter la taille du problkme h rdsoudre et autorise donc des pas de calcul de l'ordre de 0,5 ns.
3. I ANALYSE DE LA FERMETURE. Cette Etude s'appuie sur une approche phdnomdnologi-
que ; nous avons indiqud [es diffdrentes phases distingudes dans le processus de commutation
sur le relevd expdrimental portd figure 7.
Phase I. Le MOS est bloqud, la commande UT Passe brutalement de -15 V h
+ 15 V. Tant que la tension VI n'atteint pas la valeur de seuil V~h, le transistor reste bloqud et le circuit de puissance n'est pas sollicitd. On assiste h la charge des condensateurs parasites par
le circuit de grille (Fig. 8).
C~~ et C~~ sont constantes durant cette phase car V~, est trbs importante, proche de la valeur de la tension d'alimentation, par contre si la commande dvolue d'un potentiel ndgatif vers un potentiel positif, comme le montre la figure 5, C~~~ accuse une forte variation que l'on se doit de prendre en considdration h chaque pas de calcul. On peut alors noter une brusque Evolution de VI juste avant que celle-ci n'atteigne le seuil de mise en conduction du transistor, soit V~~ (Fig. 7).
