Introduction aux pilotes de porte pour l'électronique de puissance

Un circuit d'attaque de grille est un amplificateur de puissance qui accepte une entrée de faible puissance d'un circuit intégré de commande et produit le courant élevé approprié pour un dispositif de puissance. Les exigences en matière d'électronique de puissance ne cessant d'augmenter, la conception et les performances du circuit d'attaque de la porte deviennent de plus en plus importantes.

Les semi-conducteurs de puissance sont au cœur des systèmes modernes l'électronique de puissance systèmes. Ces systèmes utilisent de nombreux dispositifs semi-conducteurs à grille, tels que des transistors ordinaires, des FET, des BJT, des MOSFET, des IGBT et d'autres, comme éléments de commutation dans les systèmes d'alimentation. les alimentations à découpage (SMPS), les alimentations électriques universelles (UPS) et les entraînements de moteurs. L'évolution de la technologie moderne dans le domaine de l'électronique de puissance a généralement suivi l'évolution des dispositifs à semi-conducteurs de puissance.

Les exigences en matière de niveau de puissance et de fréquence de commutation augmentent dans l'industrie de l'électronique de puissance. .

La grille d'un MOSFET ou d'un IGBT est la borne de commande électriquement isolée de chaque dispositif. Les autres bornes de ces dispositifs sont la source et le drain ou l'émetteur et le collecteur. Pour faire fonctionner un MOSFET/IGBT, il faut généralement appliquer à la grille une tension relative à la source/l'émetteur du dispositif. Afin de faire passer ces dispositifs de commutation en conduction, la borne de la grille doit être rendue positive par rapport à sa source/émetteur.

Le comportement de commutation du dispositif de puissance est affecté par les capacités parasites entre les trois bornes, c'est-à-dire entre la grille et la source (C_gs), de la grille au drain (C_gd) et du drain à la source (C_ds) qui sont généralement non linéaires et dépendent de la tension de polarisation. La charge du condensateur de grille met le dispositif de puissance sous tension et permet au courant de circuler entre les bornes du drain et de la source, tandis que sa décharge met le dispositif hors tension et bloque une tension importante entre les bornes du drain et de la source.

La tension de grille d'un dispositif de puissance n'augmente pas tant que la capacité d'entrée de la grille n'est pas chargée, et le dispositif de puissance ne s'allume pas tant que sa tension de grille n'atteint pas la tension de seuil de grille (V_th). Le système V_th d'un dispositif de puissance est définie comme la polarisation minimale de la grille nécessaire pour créer un chemin de conduction entre ses régions de source et de drain. Pour faire fonctionner un dispositif de puissance comme un interrupteur, une tension suffisamment supérieure à V_th doit être appliquée entre la porte et la borne source/émetteur.

Pilotes de porte pour l'électronique de puissance

Dans les applications à haute puissance, la grille d'un interrupteur de puissance ne peut jamais être pilotée par la sortie d'un circuit intégré logique (contrôleur PWM). En raison des faibles capacités de courant de ces sorties logiques, le chargement de la capacité de la grille nécessiterait un temps excessif, très probablement supérieur à la durée d'une période de commutation. D'où des pilotes dédiés doivent être utilisés pour appliquer une tension et fournir un courant de commande à la grille du dispositif de puissance. Il peut s'agir d'un circuit d'attaque qui peut être mis en œuvre sous la forme de circuits intégrés dédiés, de transistors discrets ou de transformateurs. Il peut également être intégré dans un circuit de commande PWM.

A pilote de porte est un amplificateur de puissance qui accepte une entrée de faible puissance d'un circuit intégré de commande et produit le courant élevé de commande de grille approprié pour un dispositif de puissance. Il est utilisé lorsqu'un contrôleur PWM ne peut pas fournir le courant de sortie nécessaire pour piloter la capacité de grille du dispositif de puissance associé.

Le circuit de commande de grille fait partie intégrante des systèmes électroniques de puissance. Les circuits d'attaque de grille constituent une interface importante entre l'électronique de puissance et le circuit de commande et sont utilisés pour piloter les dispositifs à semi-conducteur de puissance. La sortie des convertisseurs DC-DC ou des SMPS dépend principalement du comportement des circuits de commande de grille, ce qui signifie que si le circuit de commande de grille ne commande pas correctement la grille d'un dispositif de puissance, la sortie du convertisseur DC-DC ne sera pas conforme aux exigences de conception. Par conséquent, la conception du circuit d'attaque de grille est d'une importance cruciale dans la conception des convertisseurs électroniques de puissance.

Types de pilotes de porte

Conducteurs de véhicules à faible hauteur - Utilisé pour piloter les interrupteurs référencés à la terre (interrupteurs du côté bas).

Conducteurs de haut en bas et de bas en haut - Utilisé pour piloter deux interrupteurs connectés en pont (interrupteurs flottants ou référencés à la terre).

Isolation du circuit d'attaque

Les circuits d'entraînement de porte pour les onduleurs et les convertisseurs de puissance nécessitent souvent une isolation électrique à la fois pour des raisons fonctionnelles et de sécurité. L'isolation est exigée par les organismes de réglementation et de certification de la sécurité afin d'éviter les risques de choc. Elle protège également l'électronique basse tension de tout dommage dû à des défauts sur le circuit côté haute puissance et à une erreur humaine du côté de la commande. La séparation électrique entre les différents circuits fonctionnels d'un système empêche un chemin de conduction direct entre eux et permet aux circuits individuels de posséder des potentiels de terre différents. Le signal et la puissance peuvent toujours passer entre les circuits isolés en utilisant des méthodes inductives, capacitives ou optiques.

De nombreuses applications de dispositifs de puissance (par exemple, les convertisseurs nécessitant une densité de puissance et un rendement élevés) requièrent un circuit de commande de grille isolé. Par exemple, dans les topologies de convertisseurs de puissance telles que le demi-pont, le pont complet, le buck, le forward à deux interrupteurs et le forward à pince active, il y a de fortes chances que le circuit de commande de la grille soit isolé. et les commutateurs bas car les pilotes bas côté ne peuvent pas être utilisés directement pour piloter le dispositif de puissance supérieur. Les dispositifs de puissance supérieure nécessitent un pilote de grille isolé car la source et l'émetteur des dispositifs supérieurs ne sont pas au potentiel de masse (flottant).

Dans une structure de topologie de pont simple avec un circuit de commande comme illustré ici, la borne de source de l'interrupteur 1 peut être flottante n'importe où entre la terre et le potentiel du bus CC. Par conséquent, deux choses sont nécessaires pour piloter les interrupteurs du côté haut :

1. Alimentation flottante - pour alimenter tout circuit associé à ce potentiel de point médian flottant.
2. Changeur de niveau - pour transmettre le signal de commande PWM au circuit de commande de chauffage.

Techniques d'isolement

Fondamentalement, il existe deux techniques courantes pour mettre en œuvre des pilotes de grille isolés : magnétique (à l'aide de transformateurs de commande de grille) et optique (en utilisant un optocoupleur). Nos prochains articles porteront sur la technique d'isolation magnétique, en particulier sur les caractéristiques et les exigences de conception pour les systèmes d'isolation magnétique. transformateurs d'entraînement de porte.