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Conception de driver MOSFET SiC pour une efficacité et une fiabilité optimales

Pour profiter au maximum des transistors de puissance en carbone de silicium, il faut augmenter les fréquences par cinq, et les excursions de la tension de grille par deux par rapport aux signaux appliqués normalement aux MOSFET en silicium. La conception d'un driver de grille adéquat requiert de porter une attention particulière aux effets transitoires et aux capacités parasites.

Carbure de silicium

Le prix des MOSFET de puissance au carbure de silicium se rapproche de plus en plus du prix des MOSFET ou des IGBT traditionnels. Leurs principaux atouts sont des RDS(ON) plus bas et une réduction des pertes de commutation, une tension de coupure plus élevée qui se traduit par une plus grande robustesse, et une plus grande capacité thermique. Ces avantages offrent plus de liberté aux concepteurs de systèmes de conversion de puissance, comme des alimentations à découpage ou des onduleurs, pour augmenter le rendement énergétique, spécifier des composants plus petits et simplifier la gestion thermique dans le but de minimiser la taille et les coûts d'ingénierie sans sacrifier pour autant la fiabilité.

Il est important de faire attention à la conception du driver de grille afin de garantir des performances optimales en l'état ON et pendant les transitions de commutation, afin de maximiser ces avantages inhérents aux MOSFET SiC.

Les secrets de la réussite du SiC comportent des défis de commutation

La haute tension de claquage des MOSFET SiC est le résultat d'une bande interdite plus large du SiC par rapport au transistor traditionnel en silicium. Comme les électrons ont besoin d'environ trois fois plus d'énergie pour se déplacer de la bande de valence à la bande de conduction, ceci permet à un MOSFET SiC de supporter une intensité de claquage environ 10 fois plus élevée qu'un composant au silicium comparable. Vu de la perspective opposée, l'épaisseur du canal peut être grandement réduite pour une tension nominale donnée, ce qui entraîne la réduction du RDS(ON) minimum.

Cependant, les MOSFET SiC se comportent différemment en saturation par rapport aux versions en silicium. Il n'y a aucune transition clairement définie entre la région linéaire et la région saturée : alors qu'un MOSFET au silicium est plus ou moins complètement activé quand VGS dépasse la tension de seuil (ce qui fait que le composant se comporte comme une source de courant non idéale), le MOSFET SiC est généralement doté d'une transconductance (gm) plus basse et se comporte donc plutôt comme une résistance variable. Il en résulte que le RDS(ON) continue de diminuer au fur et à mesure que la tension de grille augmente vers sa limite maximum autorisée, VGSmax. Ainsi donc, une tension de grille d'activation plus élevée est nécessaire pour réaliser pleinement le RDS(ON) supérieur du MOSFET SiC. Comme VGSmax peut être d'environ 18 à 25 V, selon le composant, le driver doit être capable d'appliquer un VGS dans la plage de 15 V à 20 / 22 V.

En ce qui concerne le comportement de la commutation, le MOSFET SiC, en tant que technologie de porteur de charge majoritaire, n'a intrinsèquement aucun courant de queue de coupure. C'est le contraire avec un MOSFET au silicium, dont le courant diminue lentement au fur et à mesure que les porteurs de charge de la région active se recombinent, après l'élimination de la polarisation positive du VGS. Ce courant provoque la dissipation de la puissance, ce qui augmente l'énergie de coupure, et la lente décadence agit en limitant la fréquence de commutation maximum possible. L'absence de courant de queue dans les MOSFET SiC permet l'utilisation de fréquences de commutation plus élevées sans souffrir de fortes pertes d'énergie. En pratique, les composants SiC peuvent prendre en charge des fréquences de commutation entre deux et cinq fois plus élevées que leur équivalent au silicium [1]. Ceci permet l'utilisation de composants passifs plus petits, ce qui mène à une réduction de la taille globale du circuit et du nombre de pièces, ainsi qu'à une plus grande densité de puissance.

Quand les exigences de commutation des MOSFET SiC imposent des exigences supplémentaires aux circuits d'attaque. Le driver doit non seulement générer un VGS plus élevé pour activer le composant et ainsi minimiser le RDS(ON), mais il faut aussi une vitesse de balayage de sortie rapide de plusieurs volts par nanoseconde, avec une grande capacité d'absorption/source de courant pour préserver le VGS élevé tout en chargeant et déchargeant rapidement les capacités du circuit de grille. Avec les bords rapides et les mouvements de charge rapides, les concepteurs sont confrontés à des dangers tels que des dépassements et des suroscillations, et à des tensions transitoires indésirables potentiellement élevées pouvant provoquer une commutation intempestive des MOSFET.

 

Activation

Pour obtenir une transition rapide vers VGS d'environ 15 à 20 V, nécessaire pour activer le MOSFET, le driver doit délivrer un courant élevé pour charger rapidement la capacité de la grille et réaliser le processus d'activation en environ 10 ns. Ce courant peut être principalement fourni par un condensateur buck dans le driver de grille, puis il passe par la résistance interne du driver et les résistances associées au circuit de la grille du MOSFET. La résistance interne de la grille de certains MOSFET SiC est plus élevée que dans un MOSFET en silicium traditionnel. Cette dernière se combine à la capacité de grille pour produire une grande constante de temps RC et a donc a besoin d'un courant élevé pour commuter le composant rapidement. La Figure 1 illustre le flux de courant pendant la phase d'activation [2].

Figure 1. Un courant source d'excitation élevé est nécessaire pour charger les capacités de grille rapidement. Source : ON Semiconductor TND6237/D [2].


Pour simplifier l'activation, un VGS maximum (VGSmax) faible est un paramètre souhaitable. Ceci permet de bénéficier de circuits d'excitation relativement simples pour activer le composant et obtenir un RDS(ON) faible, tout en offrant une bonne immunité contre les activations indésirables, quand il faut que le composant reste désactivé.



Désactivation

Lors de la désactivation, l'absence de courant de fuites signifie que l'énergie de désactivation (Eoff) est dissipée uniquement pendant le court chevauchement entre le courant fourni qui diminue et le VDS qui augmente. Il est essentiel de minimiser ce chevauchement pour obtenir l'Eoff la plus basse possible, et pour cela il faut que la charge soit extraite de la grille du MOSFET le plus rapidement possible.

Dans une topologie à commutateur unique, comme un convertisseur Boost, Buck ou Flyback, il est relativement facile de contrôler la grille pour désactiver le dispositif le plus rapidement possible. L'application d'un VGS à polarisation négative, avec une résistance de grille externe de seulement 1 à 2 Ω permet de faciliter un flux rapide de sortie de la charge de la grille, ce qui désactive le dispositif rapidement.

La tension grille-source appliquée est aussi en charge de maintenir le MOSFET désactivé jusqu'au cycle d'activation suivant. Étant donné que les MOSFET SiC ont une tension de grille relativement faible, VTH, une petite quantité de rebond de masse pourrait provoquer une polarisation positive du VGS dépassant VTH, si le driver de grille n'est pas conçu pour générer une tension de grille négative. Donc, en plus de contribuer à une désactivation rapide, une polarisation négative sur VGS offre une plus grande immunité contre les activations indésirables.

Dans les convertisseurs dotés de MOSFET haute puissance et faible puissance, comme les topologies LLC, half-bridge ou full-bridge, la commutation du dispositif haute puissance ou faible puissance peut produire des transitoires dVDS/dt dans l'autre composant. Cet effet est habituel dans les MOSFET de quelque type qu'ils soient, ce qui peut produire une activation indésirable en provoquant le passage des courants de grille dans la capacité CGD parasite du transistor. Ici, une fois de plus, la polarisation négative des VGS offre une protection supplémentaire contre les activations intempestives qui pourraient nuire à l'efficacité du convertisseur.  

Le driver doit posséder une faible impédance de sortie de sorte à ne pas limiter le courant qui peut être entraîné dans la capacité d'entrée du MOSFET, Ciss. Une sortie à faible impédance offre aux concepteurs une plus grande flexibilité pour contrôler les transitoires dVDS/dt en ajustant la résistance RG dans le circuit de grille externe et ainsi éviter les commutations indésirables.

Pour l'activation, RG doit être une valeur faible de quelques ohms seulement, pour charger Ciss rapidement. D'autre part, un RG relativement faible par rapport à la résistance de grille externe de l'autre MOSFET, qui est désactivé, peut provoquer l'activation du composant et donc des pertes de commutation indésirables. L'activation RG (RGON) d'un MOSFET doit être supérieure à la désactivation RG (RGOFF) de l'autre.

Figure 2. Implémentation de valeurs de résistance de grille d'activation et de désactivation différentes pour éviter les activations indésirables. Source Infineon AN2017-04 [3].

Des circuits RGON et RGOFF séparés peuvent être implémentés pour chaque MOSFET. La Figure 2 montre comment ceci peut se réaliser en utilisant deux types de drivers de la famille EiceDRIVER™ d'Infineon [3]. Le driver 1EDI-C à gauche est doté de sorties source/absorption séparées, tandis que le schéma à droite montre un driver de la famille 1ED-F2 doté d'une seule sortie avec capacité de tension de désactivation négative.

Dans une note d'application traitant du réglage fin des drivers de MOSFET SiC [1], STMicroelectronics recommande de faire en sorte que RGON soit au moins 1,5 fois RGOFF, avec des valeurs de résistance d'environ 4,7 Ω et 2,2 Ω respectivement.

Autres caractéristiques souhautable pour les drivers

Mise en correspondance des délais de fermeture

La gestion adéquate des interactions entre les composants de haute puissance et faible puissance pendant les transitions de commutation crée des défis supplémentaires, comme veiller à conserver un temps mort adéquat pour empêcher que les deux composants ne soient activés en même temps, et ainsi éviter les courants "shoot-through" qui sont aussi dangereux pour les MOSFET SiC que pour les MOSFET en silicium traditionnels. La fréquence de commutation plus élevée des convertisseurs SiC requiert des temps morts très courts. Pour cela, il faut que les temps de propagation entre les drivers de grille haute puissance et faible puissance, et entre les MOSFET haute puissance et faible puissance eux-mêmes, soient mis en étroite correspondance. Ainsi, les temps de propagation sont plus importants que les temps de montée et de descente.

Il est possible de concevoir un driver qui utilise un circuit discret, capable d'appliquer des tensions d'activation et de désactivation adéquates, ainsi que de dissiper et de sourcer un courant élevé pour charger et décharger le circuit de grille rapidement par le biais de petites résistances de grille d'activation et de désactivation. Toutefois, d'autres caractéristiques souhaitables telles que la protection contre la désaturation sont plus compliquées à concevoir.

Une protection rapide contre la désactivation

Les MOSFET SiC peuvent être plus difficiles à protéger contre les risques liés aux surintensités que les MOSFET au silicium. Un IGBT, par exemple, fonctionne dans une région de saturation clairement définie quand il se comporte normalement, et il est entraîné en dehors de la saturation dans la région linéaire en cas de surintensité. Ceci se caractérise par une tension collecteur-émetteur qui augmente rapidement, Vce, qui est relativement facile à détecter comme déclencheur pour activer la protection contre les surintensités.

Par contre, le MOSFET SiC fonctionne dans une région linéaire où le VDS change plus lentement, même quand l'ID augmente. Ainsi, une condition de surintensité peut rester pendant plusieurs cycles de commutation avant qu'une variation mesurable de VDS ne se produise, ce qui peut être suffisant pour endommager le composant. C'est pourquoi il est difficile de concevoir un circuit de détection de désaturation à action rapide, ce qui n'est pas facilité par les grandes vitesses de commutation qui provoquent un bruit supplémentaire pendant les transitions d'activation. Un circuit intégré driver de grille qui contient un circuit de détection de désaturation rapide, comme la famille EiceDRIVER™ 1ED-F2 d'Infineon ou le NCP51705 d'ON Semiconductor, peut surmonter cet obstacle et aussi fournir des tensions de grille adéquates, des mécanismes de protection de l'activation comme le clamp Miller actif, et d'autres caractéristiques telles que le verrouillage et le filtrage de sous-tension pour améliorer l'immunité au bruit et la protection du dispositif.

Clamp Miller actif

Un clamp actif est souvent souhaitable pour éviter les activations dVDS/dt indésirables des MOSFET de puissance. Certains drivers de grille fournissent une broche de clamp qui est connectée directement à la grille du MOSFET. En interne, la broche est connectée à un commutateur de clamp connecté au potentiel le plus bas dans le circuit du driver. Quand le MOSFET est activé, le commutateur de clamp est activé quand la tension de grille tombe en dessous d'un certain niveau, environ 2 V, afin de garantir que le MOSFET reste désactivé tout au long des éventuels rebonds de masse ou de transitoires dVDS/dt. La Figure 3 montre comment le circuit du clamp Miller est implémenté dans le driver STGAP1S de STMicroelectronics [3].

Figure 3. Le clamp Miller actif fixe la grille à une basse tension après la désactivation. Source STMicroelectronics AN4671 [1].

Verrouillage de sous-tension

Le verrouillage de sous-tension (UVLO) désactive provisoirement la sortie du driver lors du démarrage quand les rails de puissance sont mis sous tension, pour protéger le FET. Une tension de seuil adéquate pour l'UVLO dépend des composants sélectionnés. Pour cela, des drivers tels que le NCP51705 d'ON Semiconductor permettent de régler le seuil à l'aide d'une résistance externe.

Disposition optimale du circuit

Il est également très important de minimiser les effets parasites tels que l'inductance trace et les résistances afin de garantir des performances cohérentes de la commutation. L'utilisation d'une puce driver de grille peut permettre de contourner un grand nombre de ces défis, et de réduire l'effort nécessaire pour une disposition correcte du circuit, en le limitant à la simple vérification du bon emplacement du driver, le plus proche possible de la grille du MOSFET.

Conclusion

Le contrôle des MOSFET SiC à des vitesses de commutation rapides qui requiert une gestion précise du courant de grille et, idéalement, de la tension de commande de grille asymétrique (VGS) jusqu'à une tension comprise entre 15 V et 20 V pour l'activation, et -4 V et -5 V pour la désactivation. Une VGS de 0 V peut être acceptable dans les topologies à commutateur simple, pour éviter la complexité supplémentaire de générer une tension négative pour la désactivation.

Quel que soit le cas, un des aspects les plus importants de la conception du driver est d'éviter les activations intempestives dues aux transitoires dVDS/dt ou aux courants de grille indésirables. Un certain nombre de techniques peuvent être prises en compte, comme optimiser la tension de seuil de la source de la grille du MOSFET grâce à la sélection du composant, appliquer une tension de désactivation négative, gérer la relation entre les résistances de grille haute puissance/faible puissance d'activation/de désactivation, ou fixer la grille à une basse tension afin de maintenir activement le MOSFET désactivé.

Les circuits drivers de grille optimisés pour les applications SiC sont maintenant disponibles sur le marché. Non seulement offrent-ils plusieurs manières d'empêcher les désactivations indésirables, mais aussi la possibilité d'incorporer des paramètres de sécurité importantes comme la protection rapide contre la désaturation, qui est difficile à concevoir à l'aide de composants discrets.

 

Réferences:

[1] – STMicroelectronics AN4671. Comment régler votre driver de grille MOSFET SiC afin de minimiser les pertes.

[2] – ON Semiconductor TND6237/D, septembre 2017. MOSFET SiC : Optimisation de la commande de grille.

[3] – Infineon AN2017-04. Options avancées de commande de grille pour les MOSFET au carbure de silicium (SiC) avec EiceDRIVER™.

 

Peter Dallimore n'a pas encore rempli le champs " à propos de moi" ...

29 Aug 2018, 8:59

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