Qu’est-ce qu’un pilote de commande d’ouverture ?
Les pilotes de commande d’ouverture sont des circuits utilisés pour piloter et contrôler les bornes de la grille des types de MOSFET et d’IGBT alimentés en tension.
Actuellement, les pilotes de commande d’ouverture à usage général les plus courants sont des circuits qui pilotent et contrôlent la grille des MOSFET, mais il existe également des technologies de circuits analogiques qui utilisent des résistances, des diodes, des transistors bipolaires et d’autres transistors. Ces derniers temps, les composants de circuit autour des pilotes de commande d’ouverture eux-mêmes ont également évolué.
Bien qu’il existe une grande variété de types et de combinaisons, il est plus pratique d’apprendre les circuits de commande de tension de grille utilisant des MOSFET.
Utilisations des pilotes de commande d’ouverture
Les pilotes de commande d’ouverture sont utilisés pour piloter des transistors de puissance avec des circuits de commande simples composés uniquement de MOSFET et de résistances de grille.
L’avantage des pilotes de commande d’ouverture est le faible nombre de composants. L’inconvénient est que la vitesse de commutation et les pertes varient fortement en fonction de la valeur de la résistance, et qu’il est difficile de définir une valeur de résistance appropriée. Le circuit qui améliore ce problème de réglage de la valeur de la résistance est également utilisé dans les circuits où la grille d’un MOSFET est activée/désactivée séparément par une diode.
La tension de la diode reste présente et ne peut donc pas être complètement réduite à zéro, mais un circuit appelé “push-pull”, dans lequel Pch et Nch du MOSFET sont connectés vers le haut et vers le bas, permet de résoudre ce problème. C’est actuellement l’application la plus courante des pilotes de commande d’ouverture.
Principe des pilotes de commande d’ouverture
Les pilotes de commande d’ouverture sont constitués d’un circuit push-pull à transistors.
Un circuit push-pull est un circuit dans lequel deux transistors sont utilisés pour effectuer une commutation ou une amplification par fonctionnement alternatif. Il existe deux types de circuits push-pull : le circuit “suiveur d’émetteur” et le circuit “émetteur mis à la terre”, bien qu’il s’agisse essentiellement de ce dernier dans la plupart des cas.
Les pilotes de commande d’ouverture sont constitués de circuits qui servent d’intermédiaires entre l’élément de puissance, qui fait le gros du travail dans le domaine des transistors, et le microcontrôleur, qui est le cerveau qui commande la politique de commande et joue le rôle de président.
Les éléments de puissance qui peuvent transporter des courants importants comprennent les MOSFET de puissance et les IGBT. Les tensions et les courants qui les alimentent directement sont dans la plupart des cas insuffisants pour les courants et les tensions qu’un microcontrôleur normal peut produire.
C’est pourquoi un pilote de commande d’ouverture est nécessaire entre les éléments de puissance et le microcontrôleur pour les piloter.
Autres informations sur les pilotes de commande d’ouverture
1. Qu’est-ce qu’un pilote de commande d’ouverture ultra-rapide ?
Les pilotes de commande d’ouverture ultra-rapides sont des pilotes de commande d’ouverture spécialisés dans la commutation à grande vitesse parmi les pilotes de commande d’ouverture.
La catégorie ultra-rapide est généralement définie comme étant des dispositifs ayant une vitesse de commutation de plusieurs dizaines de ps (pico-secondes) ou moins. Pico est 10 à la puissance moins 12, la vitesse de commutation est donc inférieure à un trillionième de seconde (moins 12).
Il s’agit d’une évolution qui s’est produite à la suite des récentes innovations technologiques dans les dispositifs semi-conducteurs.
2. Application pratique des pilotes de commande d’ouverture ultra-rapides
Les pilotes de commande d’ouverture suivants sont utilisés dans la pratique.
Le premier est le transistor à base de silicium, qui est le semi-conducteur le plus couramment utilisé et qui est disponible dans les types bipolaires et MOS. Les types bipolaires sont rapides, capables de commuter pendant des dizaines de picosecondes, tandis que les types MOS ont un fonctionnement retardé mais conviennent à l’intégration de circuits à haute densité.
Le deuxième type est le transistor à semi-conducteur composé. Il s’agit des MESFET, transistors à effet de champ de type grille Schottky, des HBT, transistors hétéro-bipolaires, et des HEMT, transistors à effet de champ à haute mobilité. Les semi-conducteurs utilisés sont des composés d’arséniure de gallium. Ce sont les semi-conducteurs les plus rapides disponibles aujourd’hui, capables de réaliser des commutations de quelques picosecondes.
Le troisième, encore au stade de la recherche, est le dispositif Josephson, qui utilise l’effet tunnel entre deux types de supraconducteurs ; il a une vitesse de commutation deux fois plus faible que le deuxième dispositif et utilise des matériaux métalliques comme le niobium. Cependant, il nécessite des températures cryogéniques pour fonctionner, et il reste encore des défis à relever avant qu’il ne puisse être utilisé de manière pratique.
3. Pilotes de commande d’ouverture en SiC
Les pilotes de commande d’ouverture SiC sont des éléments semi-conducteurs qui ont attiré l’attention dans le monde de l’électronique de puissance ces dernières années en raison de leur excellente tenue à la tension et de leur vitesse de commutation améliorée. Il s’agit de pilotes de commande d’ouverture composés de semi-conducteurs appelés carbure de silicium (communément appelés SiC), dont l’utilisation est devenue une tendance dans l’industrie.
En particulier, les MOSFET à base de SiC ont contribué à une amélioration significative de la performance de commutation, qui est un problème dans les onduleurs de haute puissance, et ont amélioré la dissipation de la chaleur tout en atteignant une intensité de champ de rupture et une vitesse de dérive des porteurs élevées.
Toutefois, le SiC doit relever le défi de résoudre les différences de tension dans les diverses configurations de composition du SiC.
4. Les principaux dispositifs actuels dans les pilotes de commande d’ouverture
Actuellement, les principaux dispositifs qui doivent être exploités par les pilotes de commande d’ouverture sont des dispositifs pilotés par tension tels que les MOSFET et les IGBT. Bien que les pilotes de commande d’ouverture n’aient pas besoin d’un flux constant de courant, ils doivent faire très attention aux valeurs nominales de courant et de tension en tant qu’appareils de puissance, car de courtes impulsions de courant circulent pendant les opérations de commutation.
Dans le cas des IGBT, par rapport aux MOSFET, les avantages de leurs caractéristiques sont démontrés à des tensions élevées de plusieurs 10 V. Il est donc plus prudent de choisir des caractéristiques de polarisation des pilotes de commande d’ouverture qui correspondent le plus possible à leur plage de tension et à leur application.
5. Modularisation et tendances futures
Les IGBT se caractérisent par leur tendance à fonctionner à des tensions élevées et à se briser instantanément lorsque leurs valeurs nominales maximales sont dépassées. Pour cette raison, les modules IGBT, qui combinent les IGBT avec un circuit intégré de pilotes de commande d’ouverture, des circuits de protection, etc., sont plus faciles à utiliser que les IGBT seuls (discrets), et sont actuellement largement acceptés sur le marché.
Les tendances futures de la technologie des pilotes de commande d’ouverture verront le développement de circuits intégrés spécifiques aux applications, tels que les amplificateurs de classe D et les entraînements de moteurs, ainsi que des produits plus compacts et plus faciles à utiliser visant des performances plus élevées. Ces pilotes de commande d’ouverture seront à la hauteur des pilotes de commande d’ouverture des semi-conducteurs SiC et des dispositifs GaN mentionnés précédemment.