Commande des composants à semi-conducteurs de puissance : contexte

Les CSCP (composants a semi-conducteurs de puissance) permettent de realiser des fonctions interrupteur toujours plus fiables et plus performantes. Pour gerer et moduler les echanges d’energie electrique via les convertisseurs electroniques de puissance, chaque CSCP ou chaque groupe de CSCP necessite un circuit dedie de commande rapprochee (aussi appele gate driver ) afin de piloter son etat (bloque ou passant) et d’optimiser les transitions pendant les changements d’etat (commutations au blocage et a l’ouverture). Les circuits de commande rapprochee comprennent ainsi, a minima, un etage de controle statique et dynamique de l’interface de pilotage du ou des CSCP. D’autres fonctions complementaires peuvent etre integrees ou associees permettant d’observer, de proteger et plus generalement de garantir le fonctionnement fiable et optimal du ou des CSCP. Une specificite des CSCP reside dans leur mode de fonctionnement en regime de commutation, avec des contraintes fortes sur l’environnement du CSCP et du circuit de commande rapprochee : celui-ci doit, en particulier, s’adapter a des potentiels eleves et des variations rapides de tensions et courants. L’assemblage des CSCP a leur environnement rapproche est lui aussi critique, depuis leurs commandes rapprochees, les CSCP formant une ou plusieurs cellules de commutation, jusqu’a leur circuit de refroidissement. Cet environnement des CSCP est aussi important que ses performances intrinseques, permettant alors de proposer un fonctionnement adapte et optimise aux compromis classiques en electronique de puissance (thermique, compatibilite electromagnetique, rendement, densite de puissance, fiabilite). D’autre part, de nouveaux materiaux dits grand gap (tels que SiC et GaN) et d’autres ruptures sur les architectures des transistors de puissance en silicium repoussent les contraintes et compromis classiques. Ceci est particulierement d’actualite avec la montee en tension, la montee en frequence et l’augmentation des vitesses de commutation, ainsi que les ruptures sur les structures de convertisseurs (architectures entrelacees, associations serie/parallele). Les composants a semi-conducteurs de puissance et leurs peripheriques doivent toujours evoluer afin de permettre d’aller toujours plus loin dans l’amelioration de l’efficacite energetique, de la surete de fonctionnement, de la fiabilite et de la compacite des convertisseurs statiques. Selon la technologie de composants a semi-conducteur de puissance consideree et son environnement, mais egalement selon la nature des commutations, la realisation des fonctions de commande et les possibilites de controle peuvent varier. C’est la raison pour laquelle nous avons separe les composants a semi-conducteurs de puissance en trois familles technologiques [D3231] : les thyristors et les triacs ; les transistors bipolaires et les thyristors GTO ; les transistors a grille (MOSFET, IGBT, HEMT GaN et JFET SiC) ; Pour chacune de ces categories de CSCP, les circuits de commande seront detailles dans les articles suivants [D3232] et [D3233]. Les composants a semi-conducteurs de puissance (CSCP) commandes ont connu une evolution tres rapide depuis l’avenement des premiers thyristors a la fin des annees 1950 jusqu’a l’apparition des IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) au cours des annees 1980 puis de l’emergence des materiaux grand gap (SiC et GaN) dans les annees 2010. Les dernieres decennies ont ete marquees, en outre, par une progression continue des performances (pertes, rapidite, prix…) des composants de puissance, grâce aux designs des puces, des boitiers et de leur connectique, mieux optimises, mais grâce egalement a de nouveaux materiaux semi-conducteurs. Enfin une plus forte integration des fonctions et l’accroissement des performances et des fonctionnalites des circuits de commande rapprochee ont contribue significativement aux progres constates. La facilite apparente de la commande des composants a grille isolee, qui a fortement contribue a leur succes, cache en realite de nombreuses difficultes, surtout en haute frequence et/ou en forte puissance. En reponse a la demande, de nombreux fabricants se sont mis a proposer toutes sortes de circuits (integres ou hybrides ou encore imprimes) destines a la commande des composants a semi-conducteurs de puissance. C’est ainsi que le concepteur de convertisseur est devenu de plus en plus frequemment un assembleur de fonctions ; il est neanmoins tenu de comprendre, ne serait-ce que pour conserver un esprit critique par rapport aux propositions des fournisseurs, comment fonctionnent ces commandes, quels sont les compromis rencontres et quelles en sont les limites. Les convertisseurs statiques d’energie necessitent, pour avoir des rendements compatibles avec nos exigences energetiques et economiques, de fonctionner en commutation. A la suite des systemes a commutation mecanique et des tubes a gaz, les CSCP ont permis de realiser des fonctions « interrupteur » toujours plus fiables, plus compactes et energetiquement plus efficaces. Ces progres ont conduit a l’essor rapide de l’electronique de puissance que l’on connait, des faibles puissances (microwatts) jusqu’aux tres grandes (gigawatts), et qui joue un role majeur dans la transition energetique en marche.