Pilotage et contrôle de charges haute tension avec GreenPAK sur PCB

L’un des plus grands défis des PCB haute tension est la commutation et la commande d’une haute tension vers une charge. Les conceptions haute tension s’accompagnent de préoccupations liées à la sécurité ainsi que de défis CEM associés au comportement de commutation. Les alimentations à découpage, les commandes de moteurs et les cartes de commande haute tension nécessitent toutes une commutation maîtrisée, et elles exigent souvent des mesures directes du courant et de la tension au niveau de la charge.

Ces fonctions sont généralement réparties entre des pilotes de grille, des amplificateurs de mesure de courant et un microcontrôleur. Un processeur mixte programmable peut regrouper la génération PWM, la temporisation, la logique de détection et la gestion des défauts dans un seul dispositif de commande. Cela permet de maintenir l’étage de commutation haute tension séparé du domaine de commande basse tension tout en réduisant la quantité de logique de commande auxiliaire.

Architecture d’un contrôleur de charge haute tension

Dans un contrôleur pratique, le processeur mixte est placé entre le contrôleur système et le pilote de grille. Le processeur génère les commandes de commutation, surveille les retours d’information et détermine quand l’étage de puissance doit être activé ou désactivé. Le pilote de grille fournit toujours la tension de grille, le courant source et puits, l’isolation ou l’adaptation de niveau requis par les dispositifs de commutation.

Commande de grille pour charges haute tension

Les étages de puissance haute tension modernes sont généralement construits avec des MOSFET en silicium, bien que les conceptions plus récentes utilisent de plus en plus des FET en SiC ou en GaN, en particulier à haute tension. Le processeur mixte contrôle le moment où ces dispositifs commutent, mais il ne pilote normalement pas directement leurs grilles. Un pilote de grille dédié est nécessaire entre la logique de commande et les FET de puissance.

Le pilote doit être sélectionné en fonction du dispositif de commutation et de la topologie. La tension de grille, le courant de commande de crête, les exigences d’isolation et l’immunité aux transitoires en mode commun peuvent tous affecter le comportement de commutation. La logique de commande établit la temporisation, tandis que le pilote et le réseau de grille déterminent la vitesse réelle d’activation et de désactivation du dispositif.

Génération PWM et contrôle de la commutation

La génération PWM se prête bien au matériel programmable, car la fréquence de commutation, le rapport cyclique, la temporisation d’activation et le séquencement des impulsions peuvent tous être mis en œuvre avec une logique déterministe. Des compteurs, oscillateurs, comparateurs et une logique configurable peuvent générer la forme d’onde de commutation sans dépendre d’une boucle firmware exécutée en continu.

La même logique peut imposer des conditions de démarrage avant l’activation du PWM. La commutation peut rester désactivée jusqu’à ce que l’alimentation du pilote de grille soit valide, que la tension du bus soit dans la plage prévue et qu’aucune entrée de défaut ne soit active. Des temporisateurs ou des séquences d’activation contrôlées peuvent également empêcher l’étage de puissance de passer immédiatement à sa condition de fonctionnement finale.

Ces comportements doivent être conçus en fonction de l’étage de puissance. Un démarrage irrégulier, des signaux d’activation asynchrones ou des séquences de redémarrage mal contrôlées peuvent produire d’importants transitoires de courant et des événements de commutation imprévisibles.

Temporisation, mesure et protection contre les défauts

Les étages en demi-pont et en pont complet nécessitent des signaux de grille non superposés. Des délais programmables peuvent établir un temps mort afin qu’un dispositif soit complètement désactivé avant que le dispositif opposé ne s’active. La valeur requise doit tenir compte du délai du pilote de grille, du temps de commutation, de la résistance de grille et des variations des composants.

Le même processeur peut surveiller le courant de charge, la tension du bus, la température et les sorties de défaut du pilote de grille. De nombreuses fonctions de protection ne nécessitent qu’une décision de seuil, ce qui rend un comparateur analogique préférable à une mesure ADC complète lorsque le temps de réponse est la contrainte principale.

Les entrées de défaut matérielles typiques comprennent :

• Détection de surintensité ou de court-circuit
• Surtension ou sous-tension du bus DC
• Détection de surtempérature
• Sorties de défaut du pilote de grille

Ces signaux peuvent alimenter directement le chemin de désactivation du PWM ou un verrou de défaut. Cela évite la latence associée à l’acquisition ADC, à une interruption et à une routine firmware. Après l’arrêt, la logique de commande peut maintenir un état verrouillé à l’arrêt ou effectuer une nouvelle tentative temporisée selon les contraintes admissibles dans les FET, la charge et la source d’alimentation.

Contrôle de commutation tenant compte des EMI

Les étages de commutation haute tension peuvent produire des EMI conduites et rayonnées en raison d’événements importants de dv/dt et di/dt. Les MOSFET en silicium peuvent générer des oscillations au drain et un courant de recouvrement inverse lors d’une commutation dure. Les MOSFET en SiC augmentent le dv/dt, ce qui peut entraîner un courant en mode commun à travers les capacités parasites. Les étages en GaN commutent encore plus rapidement, de sorte que de faibles inductances dans les boucles de grille et de commutation peuvent produire des surtensions et des oscillations haute fréquence.

Le front de commutation est donc la principale variable de commande. Des transitions plus rapides réduisent les pertes de commutation, mais elles augmentent aussi le courant transitoire, les surtensions et la bande passante des émissions. La vitesse de front doit être traitée comme un paramètre de conception ajustable plutôt que fixée au réglage le plus rapide disponible sur le pilote de grille.

Un processeur mixte programmable peut contrôler plusieurs méthodes pratiques d’ajustement de la vitesse de front :

• Sélection entre plusieurs résistances de grille avec des commutateurs analogiques ou de petits FET.
• Contrôle de la force du pilote de grille ou des broches de mode de vitesse de balayage.
• Sélection de chemins de résistance distincts pour l’activation et la désactivation.
• Application de commandes de grille par étapes lorsque le pilote prend en charge plusieurs niveaux de courant.

Ces contrôles permettent au comportement de commutation de changer selon les conditions de fonctionnement. Les réglages finaux doivent être vérifiés au niveau de la grille et du nœud de commutation, car les parasites du PCB, le comportement du pilote et les caractéristiques du dispositif déterminent le dV/dt et le dI/dt réels.

Utiliser GreenPAK pour le contrôle de charges haute tension

Renesas GreenPAK simplifie le contrôle de charges haute tension en intégrant la génération PWM, la surveillance analogique, la temporisation et la logique de protection dans un seul dispositif programmable. Les comparateurs intégrés, références de tension, compteurs et la logique configurable peuvent gérer les seuils de courant, la surveillance de la tension du bus, les conditions de démarrage et la détection des défauts sans nécessiter de circuits intégrés de commande séparés pour chaque fonction.

Les LUT configurables, bascules, éléments de délai et compteurs peuvent générer directement en silicium les séquences de commutation, le temps mort, le comportement d’arrêt et la logique de redémarrage contrôlé. Sans firmware supplémentaire à maintenir ni délais de démarrage, GreenPAK fournit une solution de commande déterministe qui peut réduire l’encombrement de la carte et simplifier le circuit de commande basse tension autour du pilote de grille.

Les outils de développement Go Configure donnent aux concepteurs la possibilité de développer une logique de commutation et de protection entièrement personnalisée pouvant également contrôler l’activation du pilote de grille, la sélection de la vitesse de balayage ou les réglages programmables de commande de grille. Ces processeurs mixtes programmables permettent aux étages de puissance haute tension de combiner mesure, temporisation, protection et contrôle de la commutation dans une architecture de commande plus compacte.

Pour en savoir plus, consultez les composants GreenPAK et les exemples de référence.

• En savoir plus sur les composants GreenPAK
• Voir les solutions de temporisateur veille-réveil GreenPAK

Que vous ayez besoin de concevoir une électronique de puissance fiable ou des systèmes numériques avancés, utilisez l’ensemble complet des fonctionnalités de conception de PCB et les outils de CAO de classe mondiale proposés par Altium pour mettre en œuvre vos solutions GreenPAK. Altium fournit la première plateforme mondiale de développement de produits électroniques, avec les meilleurs outils de conception de PCB du secteur et des fonctionnalités de collaboration interdisciplinaire pour les équipes de conception avancées. Contactez un expert Altium dès aujourd’hui !