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Électronique de puissance embarquée etpackaging

Master M2

Cyril BUTTAY

Laboratoire Ampère, Lyon, France

14 novembre 2016

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Première partie I

La commutation – composants

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Sommaire

Introduction

Généralités

ComposantsDiodeMOSFETIGBT

Commutation des composantsCircuits de commandeDéroulement de la commutation

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Sommaire

Introduction

Généralités

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De quoi va t-on parler ?

I Des phénomènes qui se déroulent dans la cellule decommutation

I le déroulement d’une commutationI l’effet des éléments parasites

I De la réalisation physique de cette cellule (le« packaging »)

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Objectifs de cette présentation

Comprendre les paramètres influant la commutation

I Au niveau des composantsI Au niveau du convertisseur

Savoir mettre en œuvre les composants

I À quoi faire attention quand on route un circuit ?

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Sommaire

Introduction

Généralités

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Électronique de puissance = commutation

2 états stables :I Passant (interrupteur fermé)

I V = 0I I 6= 0

I Bloqué (interrupteur ouvert)I V 6= 0I I = 0

Dans les deux états, pas depuissance dissipée :

P = VI = 0

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Électronique de puissance = commutation

2 états stables :I Passant (interrupteur fermé)

I V = 0I I 6= 0

I Bloqué (interrupteur ouvert)I V 6= 0I I = 0

Dans les deux états, pas depuissance dissipée :

P = VI = 0

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Les 4 quadrants

Représentation dans le plan (I,V )

I état bloquéI état passant

Tous les composants nefonctionnent pas dans les 4quadrants !

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Les 4 quadrants

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Les 4 quadrants

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Les 4 quadrants

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Les 4 quadrants – exemple de la diode

I I attention aux ordres degrandeur :

I tension de seuil≈ 1 V

I tension de claquage100-10000 V

I courant de fuitenA-µA

I courant direct :1-1000 A

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Caractéristique directe

Caractéristiqueinverse

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Pertes à l'état bloqué

conduct

ion Caractéristique

directe

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Pertes à l'état bloqué

conduct

ion Caractéristique

directe

Tension de claquage

Courant de fuite

Tensionde seuilV

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caractéristique d’un composant pilotable

Passant

Bloqué

I 2, 3 ou 4 quadrants suivant letype d’interrupteur

I pilotables à l’ouverture (GTO),à la fermeture (Thyristor) ouaux deux (transistor)

I la caractéristique varie suivantle niveau sur l’électrode decommande

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caractéristique d’un composant pilotable

I 2, 3 ou 4 quadrants suivant letype d’interrupteur

I pilotables à l’ouverture (GTO),à la fermeture (Thyristor) ouaux deux (transistor)

I la caractéristique varie suivantle niveau sur l’électrode decommande

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La commutation

Les commutationscausent :

I pertesI perturbations EM

Elles dépendent descomposants mais aussidu circuit

image source : “Dispositifs de l’électronique de puissance”, J.Arnould et P. Merle, 1992, Hermès, Paris, tome 1, p 36)

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Sommaire

Introduction

Généralités

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Familles de composants

Attention : tous les composants existants ne sont pas représentés !

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Domaines d’utilisation

Courant

Tension

Fréquence

7 kV et plus

0 200 A 1 kA 2 kA2.2 kA

100 Hz

10 kHz

100 kHz

1 MHz and more

and more

Thyristor

MOSFET

Note : tous les composants ne sont pas représentés, et les limites évoluentconstamment !

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Sommaire

Introduction

Généralités

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Comportement statique

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Tension anode-cathode (V)

R=0 mΩR=5 mΩR=50 mΩ

VR : la tension inversemaximale (ex : 600, 1200 V)

IF : le courant direct (forward)VF : chute de tension à l’état

passantRD : Résistance dynamique

En théorie, IF = IS(

eVFUt − 1

), avec IS faible (par exemple 10−10 A).

En pratique, la chute de tension est surtout liée aux éléments résistifs

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Comportement dynamique

Anode Cathode

Dopage(cm-3)

P+ ν, N-

Courant de trous Courant d'électrons

Courant d'électronset de trous

I Les charges injectées durantla conduction doivent êtreévacuées

Ü Phénomène de recouvrementI Réduction du recouvrement Ü

dégradation conductionimage source : “Dispositifs de l’électronique de puissance”, J. Arnould et P. Merle, 1992,Hermès, Paris, tome 1

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Sommaire

Introduction

Généralités

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MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) – caractéristique directe

I Vth : tension de seuil, VGS tension grille source (= de commande)I fonctionnement nominal : zone linéaire, à VGS élevéI Comportement résistif : VDS = RDSon × ID dans la zone linéaire

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MOSFET – caractéristique statique directe

I Fonctionnement nominal en zone linéaireI RDSon modulée par la tension grille-source

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MOSFET – caractéristique statique directe

I Fonctionnement nominal en zone linéaireI RDSon modulée par la tension grille-source

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MOSFET – contributions à la résistance à l’état passant

GrilleSource

I Composant unipolaire : pas demodulationÜ résistivité définie par ledopage

I RS : résistance de source (ycompris externe)

I Rch : résistance du canal(modulée par la grille)

I Rn : résistance de la zone N−

I RD résistance de drain (ycompris externe)

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MOSFET – lien entre résistance et tenue en tension

100.0 u

10.0 m

100.0 m

10 V 100 V 1 kV

Tension de claquage (V)

MOS idéalMOS idéal avec une résistance de câblage de 500 µΩ

MOS commercialisés en 2004 (résistance spécifique estimée)MOS standard commercialisés en 2014

MOS "super−jonction" commercialisés en 2014

Source : données 204 C. Buttay, données 2014 : Jérémie Brunello et Julien Bourdon

I L’épaisseur de la zone N− est liée au calibre en tensionI Augmentation de RDSon avec le calibre en tensionI RDSon = 5.93.10−9V 2.5

BR (Source : Baliga)23 / 58

MOSFET – comportement inverse

−5 −4 −3 −2 −1 0

ent [a

rbitra

Drain to source voltage [V]

Le MOSFET devrait être bidirectionnel en courant (2 quadrants)La présence d’une diode le rend asymétrique

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−5 −4 −3 −2 −1 0

ent [a

rbitra

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−5 −4 −3 −2 −1 0

ent [a

rbitra

courant total

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MOSFET – capacités

Le comportement dynamique (= en commutation) est fixé parles capacités “parasites” et le câblage du composant (on yreviendra)On représente 3 capacités (CGS, CGD, et la capacité de ladiode CDS). Ces capacités sont non-linéaires.

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MOSFET – capacités parasites

CGS = CoxN+ + CoxP + CoxmPour des raisons pratiques, on définit

I Ciss (capacité vue de la grille) = CGD + CGSI Crss (capacité “reverse”) = CGDI Coss (capacité de sortie) =CGD + CDS

Les capacités sont non-linéaires : elles varient avec la tensionSource : datasheet du Mos STL150N3LLH5

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MOSFET – les caractéristiques principales

VBR : la tension maximale à l’état bloqué (ex : 30, 200 V)ID : le courant de drain maximal supporté par le

transistor :I donné le plus souvent à plusieurs températures, dont

25°CI dépend du refroidissement (taille du radiateur,

température ambiante)RDSon : Résistance drain-source Ü pertes en conduction

I Dépend de la température, de la tension VGS)Vth (Threshold) : tension de seuil (tension de commutation)QG : Charge nécessaire pour faire commuter le transistor

I dépend de la tension VGS, ainsi que de VDS et IDI important pour les transistors utilisés à haute

fréquence (plusieurs centaines de kHz)

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Sommaire

Introduction

Généralités

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IGBT – caractéristique directe

I Vth : tension de seuil, VGS tension grille source (= de commande)I fonctionnement nominal : zone linéaire, à VGS élevéI la caractéristique à l’état passant présente un seuil (VCEsat ) 29 / 58

IGBT – caractéristique statique

I Présence d’un seuil (VCEsat ) dans la caractéristique I(V)I Modulation de la résistance dynamique en fonction de la

tension grille-émetteur

Source : datasheet de l’IGBT DIM2400ESS12-A000

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IGBT – caractéristique statique

I Présence d’un seuil (VCEsat ) dans la caractéristique I(V)I Modulation de la résistance dynamique en fonction de la

tension grille-émetteurSource : datasheet de l’IGBT DIM2400ESS12-A000

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IGBT – comportement dynamique

I Pilotage en tension (grille isolée)I trainée de courant à l’ouverture (tail current) : évacuation

des charges stockéesI compromis vitesse/conduction, semblable à la diode PiN

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IGBT – comportement dynamique

courantde queue

I Pilotage en tension (grille isolée)I trainée de courant à l’ouverture (tail current) : évacuation

des charges stockéesI compromis vitesse/conduction, semblable à la diode PiN

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IGBT – les caractéristiques principales

VCEmax la tension maximale supportée par l’IGBT à l’état bloquéID : le courant de drain maximal supporté par le transistor :

I donné à une température ou plusI dépend du refroidissement (taille du radiateur,

température ambiante)VCESat

: la chute de tension à l’état passantI pendant de VF pour une diode, avec le même

compromis pertes en commutation/pertes enconduction

Vth (Threshold) : tension de seuil (tension de commutation)Type punch-through/non punch-through (PT/NPT) définit la

structure du composantI PT : faibles pertes en conductionI NPT : meilleure tenue en court-circuit

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Sommaire

Introduction

Généralités

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MOSFET, IGBT – Circuits de commande

Source : Thèse Pierre Lefranc, « Étude, conception et réalisation de circuits de commande d’IGBT de forte puissance » INSA de Lyon, 2005

I Le circuit de commande (driver) pilote un transistor de puissanceI Des fonctions d’isolation électrique sont parfois nécessaires

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MOSFET, IGBT – Circuits de commande, exemple du bras d’onduleur

Source : « MOSFET et IGBT : circuits de commande », B. Multon et S. Lefebvre, Techniques de l’ingénieur 35 / 58

MOSFET, IGBT – Pilotage de la grille (commande rapprochée

source : EEtimes Asia

Le circuit driver génère la tension VGS :I Charge capacitive (MOSFET, IGBT)

I Courant impulsionnelI impulsions de plusieurs ampères

I Vitesse de commutation définie parRG

I Tension VGS à l’état passant définiepar VDrive

I Tension VGS à l’état bloqué 0 ounégative.

I Entrée sur niveaux logiquesI Disponible sous forme de circuits

intégrés.

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MOSFET, IGBT – Alimentation isolée des circuits de commande

Alimentation isoléeI Basée sur un convertisseur DC/DC

isoléI Adapté à toute structureI Pas de limites sur la commandeI Complexe

Source : « MOSFET et IGBT : circuits de commande », B. Multon et S. Lefebvre,Techniques de l’ingénieur

BootstrapI adapté au bras d’onduleurI Stockage d’énergie dans une

capacitéI Recharge lorsque l’interrupteur du

bas est passant

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Circuits de commande : Transmission des signaux

Source : « On-Chip Transformers Facilitate Integration For Isolated Power Supplies », BaoxingChen, Analog Devices

TransformateurI Nécessite une mise en forme

des signauxI Peut être intégréI Pour les systèmes les plus

simples, peut être passif

Source : « MOSFET et IGBT : circuits de commande », B. Multon et S. Lefebvre, Techniques del’ingénieur

Transmission optiqueI Optocoupleurs (simples,

sensible aux perturbations)I Fibre optique (plus complexe,

robuste)I mise en forme des signaux

intégrée38 / 58

Circuits de commande : Transmission des signaux – 2

Source : « MOSFET et IGBT : circuits de commande », B. Multon et S. Lefebvre, Techniques de l’ingénieur

Level-ShifterI Transmission non isoléeI Forte impédanceI Transistor MOSFET

haute tension utilisé ensource de courant

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Circuits de commande : Protections

Protection contre les courts-circuitsI Mesure la tension drain source durant

la commutationI Si elle est trop forte : ouverture du

transistor

Écrêteur actifI La diode zener fixe la tension max. à

l’ouvertureI Si cette tension est dépassée, le transistor

est remis en conductionDétection de sous-tension

I UVLO (Under-Voltage Lock-Out)I arrêt du driver en cas d’alimentation insuffisanteI une résistance assure la connexion grille-source

Source des figures : « MOSFET et IGBT :circuits de commande », B. Multon et S.Lefebvre, Techniques de l’ingénieur

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Commutation d’un MOSFET de puissance – cellule de commutation

I La cellule de commutation est la “brique de base” desconvertisseurs

I Connexion entre une source de courant et une source detension

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Cellule de commutation – fermeture

Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Cellule de commutation – ouverture

Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Idrain

Vdiode

gIdrain

Vdiode

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Commutation d’un MOSFET/IGBT de puissance – effet Miller

image source : wikipedia

I courant d’entrée :Ii =

Vi−VoZ = Vi (1+Av )

ZI Impédance d’entrée :

Zin = ViIi= Z

I si on considère que Z = 1jCω

I on obtient Ci = C(1 + Av )

I Durant la commutation, on peut considérer queVDS = k(VGS − VTH)

I la capacité CGD apparente est multipliée par effet miller.

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Zin = ViIi= Z

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Zin = ViIi= Z

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Zin = ViIi= Z

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Zin = ViIi= Z

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