MESURE DE LA TENSION DRAIN-SOURCE A L’ETAT PASSANT VDS(ON)

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Protections additionnelles

Détection de court-circuit

Dans tous les drivers présents dans le commerce, la détection de court-circuit par désaturation (DESAT) ou OCP (Over Current Protection) est réalisée par la surveillance de la tension drain-source (VDS) du MOSFET de puissance. En effet, un court-circuit de bras se traduit par une augmentation de la tension VDS des MOSFETs de la cellule de commutation dû à l’impédance de câblage du composant de puissance [29], [30]. La tension de drain peut être bloquée par l’utilisation d’une diode haute tension ou d’une résistance de grande valeur [31]. Des exemples de circuits de détection de court-circuit par diode de désaturation (DESAT) sont donnés à la figure I-31. La diode Dm est passante uniquement si le transistor T est passant car VDS < VL, VL étant la tension d’alimentation des circuits logiques. Lorsqu’une surtension apparaît sur la tension drain-source lors de la phase de conduction, un signal dit « de désaturation » informe le driver d’un dysfonctionnement.
La diode Dm doit être capable de supporter de fortes tensions à ses bornes car elle est exposée à la tension d’alimentation du circuit de puissance (pouvant aller jusqu’à plusieurs kV). Le dimensionnement et l’intégration de cette diode sont très contraignants. En effet, les fortes variations de tension à ses bornes peuvent générer des perturbations CEM ainsi que des risques de claquage. Il est donc nécessaire d’éloigner physiquement cette diode des circuits logiques du circuit secondaire. Généralement, on retrouve cette diode en bout de carte à proximité de la connectique de drain.

PROBLEMATIQUE CIBLEE

Fiabilité des MOSFET SiC

Les performances électriques des MOSFET SiC rendent ces transistors extrêmement prometteurs pour le futur de l’électronique de puissance. Cependant, la faible maturité de cette nouvelle J. Weckbrodt Pilotage et surveillance de MOSFET SiC : Intégration de fonctions intelligentes dans les gate drivers technologie n’est pas sans poser de problèmes de fiabilité. De nombreuses études de robustesse sont donc actuellement menées pour définir les limites de la technologie SiC en termes de durée de vie pour améliorer la fiabilité de ces composants. Ces recherches, réalisées par vieillissement accéléré, doivent également permettre de définir des indicateurs de vieillissement. Au cours de ces essais, les composants sont soumis à des cycles de stress électrique et/ou thermique répétés et leur comportement à la défaillance est analysé.

Les composants à semi-conducteurs de puissance apparaissent comme l’un des facteurs de défaillance les plus critiques au sein d’une chaîne de conversion d’énergie [36]. Une première source de défaillance concerne le packaging et notamment le raccordement de la puce par « wire-bonding ». En effet, la rupture ou le décollement de ces fils de câblage est un problème bien connu des spécialistes de la fiabilité. Heureusement, de plus en plus d’alternatives existent pour fiabiliser la connectique [37]. Toutefois, le wire-bonding est encore très utilisé pour minimiser les coûts de fabrication. D’autre part, la résistance de canal des MOSFET SiC est plus importante que celle des MOSFET Si à géométrie équivalente. Ceci est dû à la faible mobilité des porteurs de charge (µn, µp : tableau 5) à l’interface SiC/SiO2 et au phénomène de piégeage de charges à l’interface des mailles cristallines. Dans le but de minimiser la résistivité du canal, les MOSFET SiC ont donc été conçu avec une épaisseur d’oxyde de grille plus faible que leurs concurrents Silicium (≤ 50nm) [38]. Toutefois, cette caractéristique engendre un effet tunnel plus important à travers l’oxyde de grille [38]–[41] et accroît le phénomène de piégeage de charges à proximité de la grille [42], [43]. Le phénomène de piégeage de charge est sans aucun doute lié à l’introduction de Carbone et à l’interfaçage des mailles cristallines SiC/SiO2. La qualité de l’interface entre l’oxyde de grille et le Carbure de Silicium semble donc être l’un des enjeux majeurs de cette nouvelle technologie. Propriétés physiques de plusieurs matériaux semi-conducteurs utilisés dans les composants de puissance [44]

L’utilisation optimale de composants SiC passe par le développement de circuits de commande adaptés et tenant compte des spécificités de cette nouvelle technologie [45]–[48]. Les premiers drivers pour MOSFET SiC disponibles sur le marché intègrent des fonctions déjà présentes dans les drivers d’IGBT ou MOSFET Si. L’implémentation de la surveillance de la tension drain-source (VDS) est fréquente dans les drivers et permet d’assurer l’intégrité du semi-conducteur dans le cas d’un court-circuit peu inductif. Les méthodes de détection usuelles présentent l’inconvénient d’être relativement lentes, supérieures à 600ns. Durant le court-circuit, la croissance du courant est extrêmement rapide et ce délai est potentiellement problématique pour des applications où les modules de puissance SiC sont dimensionnés au plus juste. D’autres paramètres, témoignant du vieillissement du composant à semi-conducteur de puissance, peuvent être identifiés à travers les recherches académiques existantes. La dérive de ces paramètres devrait permettre de définir des indicateurs de vieillissement que le driver pourra surveiller. Ces mesures devraient permettre d’anticiper certaines défaillances pour des applications de haute fiabilité. Les solutions d’implémentation proposées doivent être compatibles avec la forte contrainte d’intégration du circuit driver et l’environnement sévère qui l’entoure.

Contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM)

Les contraintes de compatibilité électromagnétiques représentent un problème majeur dans la conception des drivers de grille. Ces contraintes sont d’autant plus importantes avec l’introduction de composants grands Gap tels que le SiC. En effet, la diminution des pertes dans ces composants nécessite des commutations de plus rapides. La commutation d’un composant à semi-conducteur de puissance s’accompagne donc d’une forte variation de potentiel drain-source en un temps très court (dv/dt jusqu’à 100kV/µs) [49]. L’électronique du circuit secondaire étant référencé par rapport à la source du composant piloté, cette forte variation de potentiel peut se retrouver entre les masses primaire et secondaire, selon l’état du transistor voisin. Comme le montre la figure I-38, les dv/dt ainsi générés lors de la commutation induisent le passage de courants de mode commun (IMC) à travers les capacités parasites des éléments d’isolation [50]–[53]. Ces capacités parasites doivent donc être minimisées et/ou les chemins de circulation des courants doivent être maitrisés. La qualité de l’isolation électrique est donc un point essentiel dans la validation d’une carte driver. L’immunité aux bruits de mode commun peut-être validée par vérification de l’intégrité des signaux en présence d’une forte variation de potentiel (dv/dt) [14].

En outre, la carte driver étant localisée au plus proche du circuit de puissance, le driver évolue dans un environnement perturbé par les champs générés par les fortes variations de courant (di/dt). Le circuit driver de grille est donc soumis à de fortes contraintes électromagnétiques.

Contraintes sécuritaires / aspect normatif

Même s’il ne s’agit que d’un évaluateur technologique, le démonstrateur présenté au chapitre IV a été conçu en tenant compte d’un certain nombre de contraintes liées aux normes d’isolation. Les modules ciblés sont de type MOSFET SiC 1200V, le terme 1200V (ou 1.2kV) fait référence à la tension maximale supportée par le composant de puissance. Les tensions nominales appliquées sur ce type de composant dépassent rarement 850V. La haute densité d’intégration nécessaire dans notre démonstrateur a été obtenue au prix de certaines concessions : des diodes d’isolement haute tension de type CMS ont permis un gain d’espace non négligeable mais la tension supportée par ces diodes est limitée à 1kV. Lors de la conception de l’évaluateur technologique, une tenue en tension de drain minimale de 1kV a donc été ciblée. Un isolement électrique est qualifié par deux grandeurs : les distances d’isolement (chemin le plus court dans l’air) et les lignes de fuites (lignes de circulation du courant en cas de dépôt de poussière sur la carte).

A cela s’ajoute l’isolement entre les couches internes du PCB notamment dans le cas de transformateurs d’isolation planaires, cet isolement est en général peu contraignant grâce à la bonne tenue en tension des diélectriques de type Epoxy FR-4. Cette tenue en tension est définie par la rigidité diélectrique (FR-4 : >20kV/mm). Toutefois, les normes d’isolation imposent des restrictions beaucoup plus contraignantes pour tenir compte du phénomène de décharges partielles en environnement aéronautique entre autres. Par exemple, les normes imposent une épaisseur de FR-4 de l’ordre de 500µm pour des tensions de bus DC de l’ordre de 1500V. Le design d’une carte driver est aussi contraint par les distances d’isolement liées au claquage dans l’air ou « clearance ». Selon la norme IPC-2221, les distances d’isolement à respecter sont données dans le tableau de la figure I-40.

Autres contraintes

À bord d’un avion, on distingue deux grandes familles d’actionneurs : les systèmes propulsifs et les fonctions non-propulsives (pressurisation, dégivrage, démarrage des moteurs, commandes de vol, actionnement des trains d’atterrissage, etc.). Avant les années 2000 et l’arrivée sur le marché de l’Airbus A320, la totalité de ces systèmes faisaient appels à des circuits mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques. De nos jours, la tendance à l’électrification des systèmes non-propulsifs est de rigueur. L’électrification des systèmes permet effectivement des gains en termes de maintenance et de poids. En outre, la propulsion électrique est un axe de recherche majeur dans un contexte de prise de conscience écologique.

Conception d’un démonstrateur de driver de grille intelligent

Afin de répondre à la problématique de suivi de vieillissement en utilisant le circuit de commande de grille, un évaluateur technologique est proposé. Ce démonstrateur intègre un certain nombre de fonctions de base ainsi que diverses fonctionnalités de protections classiques : gestion des temps morts, détection de court-circuit, mise en protection en cas de court-circuit, renvoi de message d’erreur. A cela, s’ajoute de nouvelles fonctions de communication et les fonctions de surveillance du vieillissement telles que définies précédemment. L’intégration de composants programmables devient donc une évidence dans le cadre de ce démonstrateur. Le choix de composants de type FPGA a été réalisé pour fiabiliser au maximum le circuit driver qui devient dès lors de plus en plus complexe d’une part et maîtriser parfaitement la synchronisation temporelle des signaux d’autre part. En effet, les FPGA se caractérisent par leur grande polyvalence ainsi qu’une configuration interne basée sur des portes logiques élémentaires, ils offrent donc la possibilité de paralléliser les actions à effectuer dans la structure implémentée. Cette grande polyvalence et cette structure interne basée sur de la logique câblée se paient généralement par un coût relativement important de ces composants mais permettent en général d’identifier l’architecture numérique nécessaire au fonctionnement d’un système afin d’envisager à termes une version plus optimisée en ré-exploitant l’architecture numérique proposée par la composant FPGA. Une conception sous forme d’ASIC peut ensuite être considérée : composant intégré sur Silicium spécifiquement conçu pour l’application considérée.
Néanmoins, l’utilisation de composants programmables pose de nombreuses contraintes en termes d’encombrement sur notre démonstrateur qui comporte des circuits d’électronique analogique et dont on souhaite pouvoir vérifier le fonctionnement par oscilloscope. En effet, s’agissant d’un système isolé que l’on souhaite à double sortie (fonctionnement demi-pont), trois parties isolées peuvent être distinguées : le circuit primaire et les deux circuits secondaires. Chacun de ces circuits possédant un potentiel de masse qui leur est propre, l’ajout de plusieurs composants programmables parait inévitable.

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Table des matières

CHAPITRE I : INTRODUCTION
A. ARCHITECTURE DES CONVERTISSEURS D’ENERGIE
A.1 TOPOLOGIES
A.1.1 Généralités sur les convertisseurs de puissance
A.1.2 Bras de pont
A.1.3 Onduleur triphasé
A.1.4 Structures multi-niveaux
A.2 LA CELLULE DE COMMUTATION
A.2.1 Composants à semi-conducteurs de puissance
A.2.2 Technologies
A.2.3 Modules de puissance
B. CIRCUIT DE COMMANDE DE GRILLE CONVENTIONNEL
B.1 DESCRIPTION FONCTIONNELLE
B.2 TRANSMISSION DES ORDRES DE COMMUTATION PAR VOIE ISOLEE
B.3 ALIMENTATION DU CIRCUIT DE COMMANDE RAPPROCHEE
B.4 AMPLIFICATION DE SORTIE
B.5 PROTECTIONS ADDITIONNELLES
B.5.1 Détection de court-circuit
B.5.2 Blocage en douceur (SSD)
B.5.3 Active Clamping
B.5.4 Autres circuits de protection fréquemment utilisés
C. PROBLEMATIQUE CIBLEE
C.1 FIABILITE DES MOSFET SIC
C.2 CONTRAINTES DE COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE (CEM)
C.3 CONTRAINTES SECURITAIRES / ASPECT NORMATIF
C.4 AUTRES CONTRAINTES
D. STRATEGIE PROPOSEE
D.1 IDENTIFICATION DES INDICATEURS DE VIEILLISSEMENT
D.2 MISE AU POINT DE SYSTEMES DE MESURE EMBARQUES
D.3 AJOUT DE MOYENS DE COMMUNICATION SPECIFIQUES
D.4 CONCEPTION D’UN DEMONSTRATEUR DE DRIVER DE GRILLE INTELLIGENT
E. CONCLUSIONS
F. BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE II : SYSTEME DE MESURE EMBARQUE
A. MESURE DE LA TENSION DRAIN-SOURCE A L’ETAT PASSANT VDS(ON)
A.1 ÉTAT DE L’ART
A.2 SYNCHRONISATION DE LA MESURE
A.3 CIRCUIT IMPLEMENTE
A.4 SIMULATIONS
A.5 DIFFICULTES RENCONTREES
A.6 ESSAIS
B. ESTIMATION DU COURANT DE FUITE DE GRILLE IGSS
B.1 ÉTAT DE L’ART
B.2 CIRCUIT DE COMMANDE RAPPROCHEE USUEL POUR MOSFET SIC
B.3 METHODE PROPOSEE
B.4 ESSAIS
B.4.1 Emulation du courant de fuite de grille par ajout d’une résistance grille-source
B.4.2 Validation de l’hypothèse d’un comportement résistif en utilisant un composant « vieilli »
B.4.3 Essais en configuration onduleur
B.4.4 Influence de la température de fonctionnement
C. COMPATIBILITE DES CIRCUITS DE SURVEILLANCE
D. CONCLUSIONS
E. BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE III : SYSTEME DE COMMUNICATION ADAPTE
A. ÉTAT DE L’ART SUR LA COMMUNICATION DE DONNEES DANS LES DRIVERS DE GRILLE
B. TRANSMISSION DE REQUETES SYNCHRONES
B.1 PRINCIPE DE TRANSMISSION DE REQUETES PAR IMPULSIONS COURTES
B.2 SIMULATIONS
B.2.1 Modèle comportemental du transformateur d’impulsions
B.2.2 Modélisation des courants de mode commun
B.3 ESSAIS
B.3.1 Conformité des signaux
B.3.2 Tests d’immunité aux dv/dt
B.4 ROLE DES ECRANS ELECTROSTATIQUES
C. ALIMENTATION ISOLEE COMMUNICANTE
C.1 ANALYSE DE QUELQUES CIRCUITS D’ALIMENTATION ISOLEE FREQUEMMENT UTILISES DANS LES CARTES DRIVER
C.2 PRINCIPE DE COMMUNICATION BIDIRECTIONNELLE SUR LE CANAL D’ALIMENTATION
C.3 SIMULATIONS
C.4 ESSAIS
C.4.1 Conformité des signaux
C.4.2 Tests d’immunité aux dv/dt
D. PROTOCOLE DE COMMUNICATION
E. CONCLUSIONS
F. BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE IV : CONCEPTION DU DEMONSTRATEUR
A. INTEGRATION DE COMPOSANTS PROGRAMMABLES
A.1 CHOIX DU FPGA
A.2 DIMENSIONNEMENT DU CIRCUIT D’ALIMENTATION DU FPGA
A.3 MEMORISATION DU PROGRAMME
A.4 BOUCLE DE SECURITE
B. DESIGN DU DEMONSTRATEUR
B.1 CARTE « MERE »
B.2 CARTE « FILLE »
C. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DU DEMONSTRATEUR
D. DEVELOPPEMENT LOGICIEL
E. VALIDATION FONCTIONNELLE DU DEMONSTRATEUR
E.1 ESSAIS A VIDE
E.2 ESSAIS EN DOUBLE PULSE
E.3 ESSAIS EN MODE ONDULEUR
E.4 MECANISME DE PROTECTION RAPIDE
F. CONCLUSIONS
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES