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Article

1 - DU DRIVER ÉLÉMENTAIRE AU DRIVER ÉVOLUÉ

2 - TRANSMISSION DES ORDRES DE COMMANDE

3 - MISE EN ŒUVRE DES FONCTIONS DE SURVEILLANCE

4 - MÉCANISMES DE PROTECTION ASSOCIÉS

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D3234 v1

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

Auteur(s) : Nicolas Ginot, Christophe Batard, Philippe Lahaye

Date de publication : 10 août 2017

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RÉSUMÉ

Cet article s'intéresse aux circuits de commande évolués pour les composants de type MOSFET ou IGBT utilisés en électronique de puissance. Il aborde en détail, par une approche très pragmatique et proche de l'application, les méthodes de sécurisation et de protection des composants de puissance à semi-conducteur. Il est construit autour de quatre parties principales qui sont la transmission des ordres de commande, les structures des étages de pilotage de la grille, les méthodes de détection du courant de court-circuit, le mécanisme de protection par le blocage en douceur du composant de puissance et/ou par sa remise en conduction partielle.

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ABSTRACT

MOSFET and IGBT : Gate Driver and Semi-conductor Monitoring

This article deals with advanced gate drivers for MOSFET and IGBT power electronics components. Taking a very practical approach close to the application, methods used for power component securing and protection are detailed. There are four main parts: the transmission of switching commands, structures of gate driving circuits, methods for detecting short-circuit current, and protection by shut-off and/or partial conduction status of power components.

Auteur(s)

  • Nicolas Ginot : Professeur des Universités Laboratoire IETR (Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes) IUT de Nantes, Nantes, France

  • Christophe Batard : Maitre de Conférences HDR (Habilité à Diriger des Recherches) Laboratoire IETR (Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes) IUT de Nantes, Nantes, France

  • Philippe Lahaye : Ingénieur d’études ECA GROUP, Nantes, France

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

power electronics   |   MOSFET   |   IGBT   |   components monitoring   |   components protection

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3234


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4. Mécanismes de protection associés

4.1 Gestion de l’erreur

Les drivers industriels sont équipés de systèmes de détection d’anomalies et de mise en sécurité du convertisseur. Lorsqu’un problème est détecté, la protection du composant de puissance se déroule toujours en deux phases. La première est un blocage immédiat du composant de puissance par la mise en œuvre du SSD si cette fonction est implémentée. Cette action se situe au niveau de l’étage secondaire du driver. Simultanément, un signal d’erreur se présentant sous la forme d’une impulsion est envoyé à l’étage primaire. Après détection de ce signal, un ordre de blocage du transistor de puissance est renvoyé aux 2 étages secondaires du driver et une information est envoyée au système de contrôle-commande du convertisseur.

Afin d’illustrer ces propos, prenons l’exemple d’une structure couramment utilisée. La vue synoptique des différentes parties intervenant dans la gestion d’une erreur est illustrée à la figure 18 a. On retrouve un certain nombre de blocs étudiés aux paragraphes précédents :

  • les blocs « Génération impulsions de commande » et « Mise en forme impulsions de commande » décrits à la partie 2 ;

  • les blocs « Mesure V DS », « Génération V ref » et « Comparaison V ref/V DS » décrits au paragraphe 3.2.3.

Les blocs suivants permettent la gestion interne du problème détecté :

  • les blocs « Génération de l’impulsion ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - INFINEON TECHNOLOGIES -   Transformer-Isolated Gate Driver Provides very large duty cycle ratios,  -  AN-950.

  • (2) - INFINEON TECHNOLOGIES -   How to calculate and minimize the dead time requirement for IGBTs properly,  -  AN2007-04 v1.0, May 2007.

  • (3) - TOSHIBA CORPORATION -   Smart Gate Driver Coupler TLP5214,  -  AN, 2014.

  • (4) - SILICON LABS -   Driving MOSFET and IGBT Switches Using the Si828x,  -  AN1009 Rev. 0.1.

  • (5) - CONCEPT POWER INTEGRATIONS -   Application with SCALE-2 gate driver cores,  -  AN1101.

  • (6) - SEMIKRON -   Application manual Power semi-conductors,  -  ISBN 978-3-938843-83-3 2nd revised edition 2015.

  • ...

NORMES

  • Équipement électronique utilisé dans les installations de puissance. - AFNOR NF EN 50178 - 1999

  • Entraînements électriques de puissance à vitesse variable – Partie 2 : Exigences générales – Spécifications de dimensionnement pour systèmes d’entraînement de puissance à fréquence variable en courant alternatif et basse tension. - CEI IEC 61800-2 - 1998

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