Comment choisir un circuit de commande de grille

De nos jours, les transistors existent sous toutes les formes et tailles, qu'ils soient intégrés dans un CPU ou disponibles en tant que composants discrets. Tout transistor nécessite un certain courant pour basculer entre les états ON et OFF, permettant ainsi au courant de traverser le dispositif. Les transistors plus grands, tant en taille physique qu'en termes de sortie de courant, nécessitent plus de puissance pour la commutation. Cette puissance peut être fournie par un circuit intégré de commande de grille (gate driver IC), qui est spécialisé pour fournir un tampon entre un contrôleur et un transistor de puissance.

Toutes les applications n'auront pas besoin d'un circuit intégré de commande de grille. Les applications à haute fréquence peuvent inclure un circuit de commande de grille optimisé à l'intérieur d'un émetteur-récepteur ou d'un autre composant RF pour fournir la puissance nécessaire à la commutation d'un amplificateur à transistor, y compris dans les amplificateurs de puissance RF. Ces composants sont une partie intégrante des systèmes de puissance car ils fournissent la puissance de commutation requise tout en protégeant également d'autres composants critiques. Voici comment ces composants fonctionnent et comment choisir un circuit intégré de commande de grille.

Pourquoi utiliser un circuit intégré de commande de grille ?

Comme mentionné ci-dessus, un circuit intégré de commande de grille fournit un courant élevé à un transistor de haute puissance, tel qu'un IGBT ou un MOSFET, afin de le conduire pleinement dans l'état de conduction. Ces composants reçoivent une entrée de faible puissance d'un autre composant, tel qu'un MCU ou un autre circuit intégré de contrôleur. De cette manière, le circuit intégré de commande de grille agit comme un tampon entre le MCU et le transistor. L'arrangement typique pour un circuit intégré de commande de grille dans une chaîne de signal est montré ci-dessous.

Chaîne de signal pour un circuit intégré de commande de grille

Bien que le but principal d'un circuit de commande de grille soit d'agir comme un amplificateur pour piloter un grand transistor, il existe une raison plus profonde pour laquelle un circuit intégré de commande de grille est utilisé pour la commutation. Les objectifs principaux de l'utilisation d'un circuit intégré de commande de grille spécialisé sont :

1. Réduire les pertes de commutation dans le transistor de charge

2. Diminuer le temps de commutation du transistor de charge

3. Conduire le transistor complètement dans l'état conducteur/non-conducteur

Un troisième objectif, qui n'est pas fourni par tous les circuits de commande de grille, est de fournir une isolation entre la charge et le contrôleur. Ceci est fourni par un petit transformateur interne dans le circuit de commande de grille ; de tels composants sont appelés circuits de commande de grille isolés.

Tous les transistors ont une certaine capacité non linéaire, c'est-à-dire qu'ils agissent comme des varacteurs. Lorsque le transistor de charge est commuté, une certaine charge reste sur la région de grille qui maintient le canal dans son état actuel non conducteur ou conducteur. Une fois qu'une autre impulsion de courant est appliquée, une chaleur élevée peut être générée dans le transistor si le signal de commutation est lent ou fonctionne à faible courant. Appliquer le signal de commutation à un courant plus élevé permet une commutation plus rapide entre les états avec moins de pertes.

L'arrangement montré ci-dessus et le besoin d'une modulation complète et rapide des transistors de haute puissance rendent un circuit intégré de commande de grille (gate driver IC) important dans toute application où une charge de haute puissance nécessite une commutation et une modulation complètes. Si nous devions faire cela avec un MCU, le grand courant tiré du MCU pourrait le faire surchauffer et échouer, d'où le besoin d'un pilote de grille. Trois applications typiques se trouvent dans les convertisseurs DC-DC, les onduleurs de puissance et les circuits de commande de moteur.

Conversion DC-DC

Une fois que le pilote de grille reçoit une entrée du contrôleur, il délivre un courant élevé à un seul transistor, ou à plusieurs transistors en parallèle. Notez qu'un arrangement parallèle de transistors est courant, en particulier avec IGBTs ou MOSFETs, dans les convertisseurs DC-DC à commutation avec une sortie de courant élevé. Ce type de système est nécessaire lorsqu'un ensemble de grands transistors nécessite plusieurs ampères de courant pour basculer complètement dans l'état de conduction, ce qui est typique dans les convertisseurs de haute puissance.

En termes de placement dans une chaîne de signal, le pilote de grille se situera dans une boucle de rétroaction, comme montré dans l'image ci-dessous. Un MCU peut être utilisé pour implémenter un algorithme de contrôle simple pour fournir une sortie de tension stable, ou il peut être utilisé pour changer la tension de sortie en réponse à une entrée de l'utilisateur. Dans le cas où une régulation de courant élevé est souhaitée du convertisseur, un amplificateur de mesure de courant pourrait être utilisé dans la boucle de rétroaction avant le MCU/PWM driver car cela donne une mesure de courant précise pour l'utilisation dans un algorithme de contrôle.

Un circuit intégré de commande de grille dans une boucle de rétroaction pour la conversion DC-DC.

Onduleurs de Puissance

Cela est lié à la conversion DC-DC, bien que nous commutions maintenant continuellement pour produire une forme d'onde oscillante. Des pilotes de grille isolés sont nécessaires dans cette application pour isoler la source DC et le contrôleur du côté sortie. Une logique d'inversion est utilisée du côté de la charge, tandis que le pilote de grille est alimenté par une forme d'onde d'oscillateur à faible courant.

Circuits de Commande de Moteur

Cette application principale implique un transistor commandé avec un signal PWM. Dans ce cas, le pilote de grille reçoit un signal PWM et sort une version amplifiée à courant élevé du signal PWM. Cela est ensuite envoyé à un réseau de transistors pour entraîner un moteur. Les exemples incluent la commande de moteurs pas à pas et de moteurs à balais. Des pilotes de grille isolés sont normalement utilisés dans cette application car ils se situent entre le MCU/contrôleur et le moteur du côté sortie.

Spécifications Importantes du Pilote de Grille

Le courant de sortie est la spécification la plus importante que vous devrez examiner, et cette spécification devrait être comparée aux spécifications de vos transistors. Voici quelques autres spécifications importantes que vous devriez examiner lors de la sélection d'un circuit intégré de commande de grille :

• Type de pilote de porte. Il existe quatre types de pilotes de porte :

• • Haute tension : Ces pilotes sont utilisés pour commander des transistors de puissance qui sont connectés à un rail d'alimentation positif sans connexion de référence à la terre.

  • Basse tension : Ces pilotes sont utilisés pour commander des transistors qui sont connectés à un rail d'alimentation négatif sans connexion de référence.

  • Pont demi : Ces composants contiennent des circuits de pilotes de basse et haute tension, les rendant plus flexibles.

  • Trois phases : Ces pilotes de porte sont utilisés dans les systèmes triphasés.

• Temps de montée et de descente. C'est important pour réduire les pertes de commutation. En particulier, commuter avec des temps de montée/descente plus rapides garantira des pertes de commutation plus faibles dans le transistor.

• Fréquence max. C'est important dans les trois applications mentionnées ci-dessus.

• Classe de température. Comme ces composants fonctionnent à haute puissance, ils peuvent nécessiter un dissipateur thermique pour le refroidissement.

Le CI pilote de porte FAN73912MX de ON Semiconductor est un exemple de composant de haute puissance qui peut être connecté en configuration demi-pont. Le circuit d'application ci-dessous illustre comment un pilote de porte de haute puissance peut être intégré avec un contrôleur dans un système haute tension.

Circuit d'application du CI pilote de porte FAN73912MX. D'après la fiche technique du FAN73912MX.

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