Récemment, le carbure de silicium (SiC) a connu une adoption croissante dans les transports publics, les alimentations auxiliaires, les chargeurs de batteries et les systèmes de propulsion, autant d'applications exigeant un refroidissement optimisé, un rendement accru et une miniaturisation. Un facteur commun à cette évolution est le besoin croissant de dispositifs et d'écosystèmes à forte bande passante pour les applications haute tension.
Pourquoi le haut débit ?
Cet article se concentre sur les technologies qui facilitent l’électrification durable des transports en aidant les concepteurs de systèmes à adopter le SiC facilement, rapidement et en toute confiance.
La pandémie a mis en lumière les politiques énergétiques des différentes nations : certains pays dépendent fortement du nucléaire, tandis que d’autres investissent dans les énergies renouvelables, comme le solaire et l’éolien, ou dans des sources non renouvelables.
Quelle que soit la source, il est important d’utiliser l’énergie de manière durable. L’année dernière, des constructeurs automobiles ont présenté une solution zéro émission avec des trains à pile à combustible, tandis que d’autres ont exploré les systèmes hybrides.
Du point de vue de l’électronique de puissance, le choix entre un système entièrement électrique ou hybride déterminera la tension de claquage du semi-conducteur de puissance. Microchip propose une gamme robuste de semi-conducteurs de puissance SiC de 700 V à 3 300 V, ainsi que des circuits de commande de grille optimisés pour tirer le meilleur parti de ces composants.
Priorité à l'efficacité :
Pour tout système, l'efficacité est définie comme le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée ; la différence entre les deux est dissipée sous forme de chaleur. Dans un semi-conducteur de puissance, deux facteurs contribuent aux pertes : la conduction et la commutation.
Les semi-conducteurs de puissance conducteurs de courant sont appelés transistors bipolaires à grille isolée en silicium (IGBT), qui présentent une composante de pertes par commutation plus élevée. Les MOSFET en carbure de silicium (SiC), quant à eux, peuvent être commutés beaucoup plus rapidement, ce qui entraîne une réduction drastique des pertes par commutation. 
Figure 1 : Comparaison de différentes techniques de commande de grille
Mais est-ce le maximum que l'on puisse extraire du SiC ? Il semblerait que non. Grâce à des techniques de commande numérique de grille, comme la commutation augmentée, les pertes peuvent être encore réduites.
Amélioration des performances grâce au SiC et à la commutation optimisée :
Une étude comparative a été menée sur un module de puissance SiC en boîtier industriel standard (62 mm). Seuls les circuits de commande de grille ont été modifiés, tous les autres paramètres restant inchangés. L’un des circuits de commande utilisait une technologie de commutation optimisée, tandis que l’autre était un circuit analogique conventionnel utilisant des résistances de grille pour contrôler dv/dt et di/dt. L’analyse est présentée à l’aide d’une fonction de coût développée par l’Université de l’Arkansas [2].
L'analyse du front de Pareto est présentée à l'aide de l'équation suivante pour la barre de couleur.
Les facteurs de pondération α et β sont respectivement de 0,5 et 0,5 ; α + β = 1, où α représente les pertes par commutation et β la surtension Id à l'état passant ou la surtension Vds à l'état bloqué.
Plus la fonction de coût est faible, meilleures sont les performances globales du dispositif SiC.
Paramètres d'étapes augmentées pour des performances optimales
: Étape d'activation : 0,5 V 40 ns
Étape d'arrêt 1 : 3,5 V 240 ns
Étape d'arrêt 2 : 1,5 V 240 ns
La courbe rouge des deux graphiques représente la valeur de référence obtenue par une approche analogique, en modifiant uniquement les résistances de grille. D'autres valeurs de résistances de grille pourraient mieux définir la courbe, mais notre analyse de 10 valeurs nous permet d'affirmer que l'extrapolation présentée ici est précise.
Résultats d'activation
Le graphique suivant représente le dépassement de courant (en ampères) en fonction des pertes de puissance de commutation
(en millijoules). Les meilleures performances sont obtenues avec une tension de commutation de 0,5 V et une durée d'impulsion de 40 ns, ainsi qu'une résistance à l'état passant (Rg(on)) de 0,5 Ω, permettant une réduction de 8 % du dépassement de courant et de 25 % de la perte à l'état passant (Eon), par rapport à l'utilisation d'un contrôleur analogique avec une Rg(on) de 1,1 Ω.
Une surtension plus importante entraîne généralement un taux de ronflement et un di/dt plus élevés, ce qui peut se coupler à d'autres zones du système.
Résultats de coupure :
Les résultats de coupure sont intéressants car ceux obtenus avec la commutation augmentée sont plus proches de ceux obtenus avec un simple contrôleur analogique à résistances de grille. Dans un système où la tension de fonctionnement nominale du bus CC était de 750 V et la tension maximale de 800 V, un composant semi-conducteur de 1 200 V a été utilisé, laissant une marge de surtension de 400 V. Sous ces contraintes, il apparaît clairement que l’utilisation de la commutation augmentée offre des résultats nettement supérieurs. Le meilleur compromis est obtenu avec la configuration de commutation augmentée suivante : 3 V 240 ns, 1,5 V 240 ns et Rg(off) de 1,1 Ω, ce qui permet une réduction de 10 % du dépassement de Vds et de 14 % de Eoff par rapport à l’utilisation d’un pilote analogique avec une Rg(off) de 4,7 Ω.
Figure 4 Comparaison de la déconnexion à l'aide d'un excitateur analogique avec contrôle Rg par rapport à un excitateur de porte numérique avec commutation accrue.
Réduction du ronflement :
Les graphiques ci-dessus illustrent les pertes de commutation en fonction des surtensions ou des variations de courant et donnent un aperçu des gains possibles grâce au réglage des circuits de commande de grille. L’augmentation de la fréquence de commutation présente également l’avantage de réduire les oscillations aux bornes Vds et Vgs. Ce résultat peut être obtenu en contrôlant la pente de commutation à l’ouverture et à la fermeture. La méthode et ses avantages seront détaillés dans un autre article.
Contrôle du dv/dt dans les systèmes de propulsion.
Dans les applications nécessitant des dispositifs à large bande pour la commande de moteurs, le dv/dt lors de la commutation est un paramètre critique. Un dv/dt élevé peut endommager les enroulements du moteur ; il est donc important de le limiter.
Avec un circuit de commande de grille analogique, cela est réalisé en augmentant Rg(on), au prix de pertes de commutation accrues.
Il semble exister une forte corrélation entre l'inductance du boîtier SiC et les résultats de cette analyse comparative en cours.
Résumé :
L’utilisation de MOSFET en SiC permet d’améliorer significativement le rendement, comme illustré sur la figure 1. Ce rendement peut être encore optimisé grâce à la commutation augmentée.
Dans notre étude de cas, à conditions de fonctionnement identiques, la commutation augmentée a permis de réduire les pertes totales de commutation de 12 % par rapport à un contrôleur analogique.
Figure 5 IGBT vs SiC vs SiC avec commutation accrue
AUTEURS : Nitesh Satheesh - Ingénieur technique et Vipin Gaonkar - Ingénieur principal, Microchip Technology India Pvt Ltd
