La commande des transistors de puissance1mercredi, 14 mai 2008

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MTI – 13/04/2008 – 1.0 1

La commande des

transistors de puissance

1 mercredi, 14 mai 2008

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Capacités parasites du MOS

Capacités parasites du MOS

Modèle dynamique du MOS

C_GD: Capacité grille drain f(V_DG) C_GS: Capacité grille source cste.

C_DS : Capacité drain source f(V_DS)

Le fabricant donne habituellement les capacités suivantes : C_ISS: Capacité d’entrée = C_GD + C_GS

C_OSS: Capacité de sortie = C_DS + C_GD.

Source Drain

Grille (gate)

n pn

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Variations des capacités parasites

Variation des capacités parasites f(V

_DS

)

La capacité C_OSS augmente fortement lorsque V_DS diminue (non-linéarité) : Ceci est du au fait que la zone de déplession devient très fine et tend ver zéro avant la mise en conduction du canal, C_GD= C_rss augmente

fortement.

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Q_GD = −C_GD,min ·V_DD Q_GD = −C_GD,min ·V_DD

Q_GS = 0 Q_DS = −C_DS,min ·V_DD

Q_GD = C_GD,max ·U_G Q_GS = C_GS ·U_G Q_DS = 0

Commutation sur charge inductive

Commutation – variation de charges

Schéma: Charges initiales (transistor ouvert):

Charges finales (transistor fermé):

V_DD

~0

U_G

U

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Commutation sur charge inductive

Commutation sur charge inductive

On voit apparaitre un palier sur la tension V_GS

I_G I_G

I_G

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Transfert de charges

Transfert de charges

La durée du pallier est de l’ordre de quelques dizaines de ns.

La durée de ce palier augmente avec I_DS et également avec V_DS.

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Temps de commutation

Définition des temps de commutation

Le pallier sur V_GS existe autant à la mise en conduction que au blocage.

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Temps de commutation

Temps de commutation en fonction de R

_G

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Temps de commutation & pertes MOSFET

Exemple :

Estimer les effets de R_G pour le MOSFET correspondant avec les temps de commutation présentés précédemment (U_DS=380V, I_D=8A, V_GS=10V, f_P=25kHz) :

1. Calculer la résistance de grille, afin de limiter le courant I_G à 1A.

2. Estimer les temps de commutation t_ON et t_OFF. 3. Estimer les pertes de commutation du MOSFET.

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Effet de l’entrefer

Commande de gate du MOS de puissance

Rappels:

• Le courant statique de gate est nul I_G = 0

• La Capacité CGD augmente fortement lorsque UGD est proche de 0 V

Le courant de gate peut s’exprimer comme:

Un MOS de puissance possède une capacité

d’entrée de l’ordre du nF -> courant de commande important allant jusqu’à 10 A crête.:

• Limitation du courant par R_G

• Driver de gate capable de fournir le courant i (t)

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Low Side

Commande Low-Side

Pour que les temps de commutations soient courts il faut charger avec un courant important la CGS

Utilisation d’un driver capable de fournir un courant nécessaire à charger C_GS et C_GD en un temps donné.

Text

Chaque fois que la capacité de gate se charge la charge Qg est délivrée par le driver. Le courant moyen consommé sur l’alimentation par le driver sera alors: Icc = Q_g . fp

L’énérgie dissipée par Rg est la moitié de l’énergie pour charger Cg. Pour la charge et la

décharge la puissance dissipée sera de :

PRg = Vcc . Qg . fp

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High side

Problème de la commande High-Side

Afin de maintenir le

transistor enclenché, il faut avoir V_G > V⁺+V_TH, afin

d’assurer V_GS>V_TH.

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Commande High-Side par transformateur d’impulsions.

• Simple et à faible coût, mais limité pour la durée d’impulsion

• Pour utiliser des rapports cycliques élevés, ainsi que pour commander des MOSFET, la circuiterie devient plus complexe.

• Taille du transfo augmente avec la

diminution de la fréquence de découpage.

• Les perturbations générées limitent la fréquence maximale de fonctionnement.

L_h1 u₂

i_h V_cc

V_pwr

Charge ou

“low-side”

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Commande High side

Commande High-Side par alimentation isolée

Principe : cette solution consiste à avoir une alimentation flottante (donc galvaniquement découplée entre V_DD et GND_HI.

1. Liberté totale de

commande en durée et fréquence

2. Couteux, car chaque MOS (hi-side) demande une alimentation flottante 3. La commande doit être

translatée (transfo ou opto-coupleur)

4. Les « opto » sont chers, peu fiables et sensibles aux perturbations.

DC DC

V_cc

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Commande Bootstrap

Commande High-Side par Bootstrap

L’alimentation du driver de Q₁ est obtenue par la charge de C_b via R_b et D_b lorsque Q₂est enclenché.

Le condensateur C_b doit pouvoir emmagasiner la charge nécessaire à la commande de gate et la consommation du driver (AN-978 de IR)

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Commande Bootstrap

1.Simple et à faible coût, mais limité pour la durée d’impulsion comme pour transfo d’impulsion à cause de la charge dans C_b.

2.Si la capacité de bootstrap est chargée à haute fréquence la dissipation dans le circuit de bootstrap est importante.

3.Demande un translateur de niveau qui comporte aussi des défauts (solutions intégrées).

Commande High-Side par Bootstrap

Dimensionnement de C_b:

Text

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Exemple :

Calculer la capacité C_b pour un MOSFET (C_iss=200pF, V_cc=24V, V_min=V_GS=10V,V_F=0.7V et V_LS=0), en admettant que les pertes du driver sont négligeables et compensées par le facteur de sécurité de 2.

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Exercice :

Calculer les puissances suivantes pour un DC/DC abaisseur de tension (U_in=24V, U_out=5V, I_L=1A, ΔI_L=0.5A, V_GS=10V, f_P=250kHz) :

1. Pertes de commande du MOSFET (C_iss=200pF).

2. Calculer les pertes de commutation du transistor t_ON=20ns et t_OFF=30ns.

3. Calculer les pertes de conduction du MOSFET (R_DS=150mΩ).

4. Estimer les pertes d conduction dans la diode (U_j=0.5V).

5. Calculer les pertes de conduction dans l’inductance (R_L=60mΩ).

6. Estimer d’après les pertes calculées, le rendement du montage.