Soutenance mémoire
Développement d’un driver pour MOSFET SiC
La commande rapprochée des semi-conducteurs actifs de puissance est assurée par un circuit dédié appelé « driver ». Ce premier chapitre se focalise sur les mécanismes de cette fonction de commande rapprochée implémentée dans les drivers industriels. Le driver pour MOSFET SiC qui a été développé est également présenté. L’acronyme MOSFET signifie « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transitor » et l’acronyme SiC désigne le carbure de silicium. Les travaux menés ces dernières années portant sur les semi-conducteurs dits « grand gap » laissent penser que les composants actuels de l’électronique de puissance seront à terme mis en concurrence, voir remplacés par ces derniers [1]. Un autre matériau grand gap qui fait actuellement l’objet d’études pour des applications en électronique de puissance est le nitrure de gallium (GaN). Cependant, c’est essentiellement le carbure de silicium qui prédomine à l’heure actuelle pour les avantages qu’il apporte en comparaison aux semi-conducteurs de puissance au silicium [2] [3]. Les composants SiC de l’électronique de puissance sont tout d’abord arrivés sur le marché sous forme de diodes, puis de transistors à effets de champ de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et enfin sous la forme de transistors MOSFET. Comparativement aux MOSFET au silicium (Si), ils peuvent travailler sous une tension de bus DC plus élevée et à des fréquences de commutations supérieures tout en nécessitant une énergie plus faible pour leur commande et en présentant des pertes en conduction et en commutation plus faibles [3] [4] [5] [6]. La diminution des pertes permet de réduire les dimensions du système de dissipation du convertisseur dans lequel ils sont montés et ainsi de diminuer ses dimensions finales et son poids, ce qui facilite l’intégration mécanique de l’ensemble. Pour un grand nombre de convertisseurs, une augmentation de la fréquence de travail se traduit également par une diminution de la taille des composants passifs dédiés au filtrage Basse Fréquence (BF). En revanche, en ce qui concerne les composants passifs de filtrage Haute Fréquence (HF), la réduction de leur volume n’est pas automatique en raison de la présence de dv/dt plus élevés avec l’utilisation des composants SiC.
Structure du driver pour MOSFET SiC
Les transistors MOSFET
Parmi les transistors MOSFET on distingue les MOSFET à « appauvrissement » et les MOSFET à « enrichissement ». Les premiers sont dits « normally on », ce qui signifie qu’un courant allant du drain vers la source circule lorsque la tension de commande, notée VGS, est nulle. Quant aux MOSFET à « enrichissement », ils sont dits « normally off ». Pour ces composants, aucun courant ne circule du drain vers la source lorsque la tension de commande VGS est nulle. La commande à l’amorçage du composant nécessite que la tension VGS dépasse le seuil de mise en conduction du composant, généralement noté « VGS-THRESHOLD ». A l’heure actuelle, pour les applications de l’électronique de puissance, ce sont principalement ces derniers qui sont utilisés. La mise en œuvre de composants « normally on », qu’il s’agisse de transistors MOSFET ou autre, introduit de fortes contraintes dans la chaîne de commande des composants et implique des précautions de mise en œuvre parfois lourdes. Il est par exemple nécessaire de garantir la présence permanente d’une source d’énergie électrique sur le circuit de commande rapprochée afin de permettre la commande au blocage des composants en cas de défaillance de l’électronique du contrôle-commande. Le convertisseur 60kVA développé par l’industriel ECA GROUP intègre des transistors MOSFET SiC « normally off » du fabricant CREE dont la référence est «CAS300M12BM2 ». Il s’agit d’un module de puissance de 62mm intégrant deux transistors de puissance. Leur calibre en courant est de 300A et leur tension de travail atteint une valeur maximale de 1200V .
Si les composants pour l’électronique de puissance à base de SiC sont dits de nouvelle génération, l’utilisation du SiC en électronique est ancienne. A titre d’exemple, la première réalisation d’électroluminescence de couleur bleue a été réalisée avec du SiC il y a environ un siècle par la société CREE [7]. Les tensions de commande préconisées pour la commande des MOSFET SiC sont VGS = -5V pour le blocage et VGS = +20V pour l’amorçage. A titre de comparaison, les drivers pour IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) au silicium utilisés en électronique de puissance appliquent des tensions de commande de +15V pour l’amorçage et une tension comprise entre 0V et -15V pour le blocage. Cette dernière dépend du calibre des IGBT pilotés et de la tension du bus DC. Une première spécificité des MOSFET SiC concerne donc les niveaux de tension de commande. Leur précision est également capitale pour éviter toute destruction des modules de puissance et pour obtenir les meilleures performances.
Synoptique du driver pour MOSFET SiC
Le synoptique du driver pour MOSFET SiC est illustré à la Figure 1. Il est composé de trois parties séparées entre elles par des barrières d’isolation galvanique représentées par des hachures. La partie située à gauche du synoptique est le primaire du driver. Il est directement connecté au circuit de contrôle-commande du convertisseur. Ce dernier lui transmet les ordres de commande à appliquer aux semi-conducteurs pilotés via les entrées In_TOP et In_BOT. Lors de la détection d’une défaillance par le driver, le primaire transmet un message d’erreur au contrôle-commande via la sortie « erreur ». Les deux voies de commande appelées TOP et BOT constituent les deux secondaires du driver. Elles sont toutes les deux connectées à un transistor MOSFET de puissance.
Un transformateur d’impulsions est présent entre chaque voie de commande TOP ou BOT et le primaire. Il permet de transmettre les ordres d’amorçage et de blocage des transistors de puissance. Lorsqu’un problème est détecté, un message d’erreur est également véhiculé à travers ce transformateur. Ces ordres et messages sont transmis sous la forme d’impulsions afin, entre autres, de ne pas saturer le transformateur. Côté primaire du transformateur on trouve aussi une interface qui traduit les ordres de commande du contrôle-commande sous la forme d’impulsions et décode les impulsions d’erreur provenant des voies de commande. Coté secondaire de chaque transformateur d’impulsions, une interface décode les impulsions de commande et génère une impulsion d’erreur driver en cas d’anomalie détectée sur la voie de commande considérée.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Développement d’un driver pour MOSFET SiC
Introduction
1 Structure du driver pour MOSFET SiC
1.1 Les transistors MOSFET
1.2 Synoptique du driver pour MOSFET SiC
1.3 L’environnement de travail de l’électronique de puissance
2 Gestion des alimentations sur le driver
2.1 Structure de l’alimentation du driver
2.2 Géométrie du transformateur et contraintes d’isolement
2.3 Choix du matériau ferrimagnétique
3 Mécanismes de transmission des ordres de commande
3.1 Le transformateur d’impulsions
3.2 Décodage des impulsions de commande
4 Détection de court-circuit
4.1 Origine d’un court-circuit
4.2 Circuit de mesure de la tension aux bornes du semi-conducteur
5 Réaction suite à un court-circuit et étage de sortie du driver
5.1 Etage de sortie à transistors MOSFET
5.2 Etage de sortie à transistors bipolaires
6 Mécanisme de l’erreur driver
Conclusion
Chapitre 2 : Système de communication
1 Fonctions de communication : applications et contraintes
1.1 Rôles des fonctions de communication
1.2 Contrainte d’isolement du bus de communication
2 Un protocole en adéquation avec les applications
2.1 Un protocole pour gérer le bus de communication
2.2 Le protocole CAN
2.2.1 Le protocole CAN, un protocole Event Triggered
2.2.2 Les trames CAN
2.2.3 Médium de communication et durée d’un bit
2.3 Au-delà du protocole CAN
2.3.1 La notion de temps dans le réseau de communication
2.3.2 Vitesse de transmission des données
2.3.3 Le protocole FlexRay, un protocole Event Triggered et Time Triggered
3 Structure du réseau de communication
3.1 Le réseau de communication au sein du convertisseur
3.2 Drivers et nœuds de communication
3.2.1 Positionnement des nœuds sur le driver
3.2.2 Franchissement de la barrière d’isolation galvanique
Conclusion
Chapitre 3 : Solution CAN-ISO
1 Présentation de la solution CAN-ISO
2 Modélisation du canal de communication
2.1 Démarche de modélisation
2.2 Les VTI
2.3 Le transformateur
3 Exploitation du modèle
3.1 Impédances de charge du transformateur et du générateur de porteuse
3.2 L’impact du matériau ferrimagnétique
3.3 Impact du nombre de spires du transformateur
3.4 Fonctions de transfert de la solution retenue
4 Réalisation et aspects technologiques
4.1 Architecture du VTI
4.2 Architecture du démodulateur
4.2.1 Démodulateur mono alternance
4.2.2 Démodulateurs double alternance
5 Conformité des signaux, validation du modèle
Conclusion
Chapitre 4 : Partie expérimentale
Introduction
1 Commande rapprochée d’une cellule de commutation
2 Commande rapprochée du convertisseur 60kVA d’ECA GROUP
3 Robustesse de la solution CAN-ISO face aux dv/dt
3.1 Description des essais
3.2 Relevés expérimentaux
Conclusion
Conclusion générale
