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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

Transmission des ordres de commande
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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2. Transmission des ordres de commande

Comme indiqué précédemment, seule l’isolation galvanique des signaux de commande des composants à semi-conducteurs par transformateurs sera considérée. Cela implique que les signaux de commande sont à valeur moyenne nulle et que la forme d’onde des signaux soit telle qu’ils ne saturent pas les transformateurs. Aussi, les ordres d’amorçage et de blocage sont systématiquement transmis par des impulsions de courtes durées et de polarités différentes. Dans un but de simplifier les explications, la convention suivante sera adoptée : une impulsion positive correspond à un ordre d’amorçage et une impulsion négative correspond à un ordre de blocage. Les différentes structures rencontrées pour la génération des pulses de commande ainsi que les étages de mise en forme de ces pulses sont étudiés dans cette partie.

2.1 Génération et transmission des impulsions d’amorçage et de blocage

HAUT DE PAGE

2.1.1 Structure 1 à diode zener

Le synoptique de la première structure rencontrée dans des drivers industriels est illustré à la figure 5 a. Le primaire est constitué d’un circuit de type buffer U1 et d’un condensateur C en série avec le primaire du transformateur d’impulsion. Le secondaire du transformateur est chargé par des diodes/diode zener, un étage flip-flop et un amplificateur de puissance.

Les formes d’ondes des différentes tensions référencées à la figure 5 a sont illustrées à la figure 5 b.

L’amorçage du composant de puissance QP s’effectue en deux phases :

  • phase 1 : un ordre d’amorçage est envoyé à l’étage primaire. La tension v 1 passe de 0 à +V cc. La charge vue par le circuit U1 est un circuit oscillant constitué du condensateur C, de l’inductance magnétisante du transformateur et de la résistance R 1 ramenée au primaire. La forme d’onde de la tension v 2 est alors celle d’une oscillation...

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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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