MOSFET et IGBT : circuits de commande, sécurisation et protection du composant à semi-conducteur

Cet article s’intéresse aux circuits de commandes évoluées des composants de puissance de type MOSFET et IGBT sur silicium, communément appelés « drivers » ou « gate drivers ». Après un bref rappel portant sur la fonction élémentaire de commande rapprochée, l’article se focalise sur la structure des drivers industriels en analysant en détail les fonctions évoluées qu’ils renferment. L’approche proposée est très pragmatique et s’appuie sur de multiples relevés expérimentaux permettant de comprendre en profondeur les nombreux schémas électroniques des fonctions internes des drivers. Une analyse structurelle permet d’en faire ressortir les principales fonctions, à savoir la transmission des ordres de commande à travers une barrière d’isolation galvanique et la protection des composants de puissance. Par la suite, seule la transmission des ordres de commande à base de transformateurs est étudiée. Quatre schémas électroniques répondant à ces besoins sont analysés en profondeur. Deux principaux étages de pilotage de la grille, fréquemment mis en œuvre, sont étudiés. Le premier renferme deux MOSFET complémentaires et le second exploite un étage à transistors bipolaires de type push-pull. Les avantages et inconvénients de ces deux structures sont discutés à travers des mesures montrant en détail leurs mécanismes de fonctionnement. La deuxième partie de cet article concerne la mise en œuvre des fonctions de surveillance et de protection des composants de puissance. Les auteurs montrent clairement que l’isolation galvanique des ordres de commande ainsi que la structure des étages de pilotage de la grille ont une incidence directe sur la mise en œuvre des mécanismes de protection internes aux drivers. Deux structures électroniques assurant la détection du court-circuit franc dans une cellule de commutation sont présentées. Cette surveillance de la croissance rapide et anormale du courant s’appuie sur la mesure de la tension aux bornes du composant de puissance. La détection d’un état de conduction ou d’une commutation anormale déclenche différents mécanismes de protection. La fonction de blocage en douceur du composant de puissance, appelée soft shut down, est analysée pour les deux structures d’étage de pilotage de la grille évoquées précédemment. L’implémentation de la variation de la résistance de grille ou le contrôle de la durée du plateau de Miller par courant constant est étudié. Enfin, en dernière partie, la protection du composant de puissance par sa remise en conduction est abordée. L’implémentation de cette fonction, appelée active clamping, est discutée pour l’étage de pilotage de la grille à transistors bipolaires seulement.