Couverture ElectroniqueS n°127

Le test à double impulsion est la méthode la plus couramment utilisée pour évaluer le comportement dynamique d'une alimentation. Mais ce test est délicat en raison du caractère fastidieux des méthodes de création d'impulsions à largeur variable. Au travers d'un exemple concret, l'américain Tektronix montre qu'un AFG doté du logiciel « ad hoc » peut créer simplement des impulsions selon divers scénarii de test. L e monde de l'électronique de puissance connaît actuellement une transition du silicium aux semi-conducteurs à large bande, tels que le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN), plébiscités pour leurs performances supérieures dans les applications automobiles et industrielles. Ces deux technologies de semi-conducteurs assurent une conception plus petite, plus rapide et plus efficace. La nécessité de mettre en place une efficacité énergétique accrue dans l'électronique de puissance s'étend des systèmes de production d'électricité jusqu'au consommateur. Comme aucune des opérations de conversion de puissance opérées tout au long de la chaîne de production, de transmission et de consommation d'électricité n'est efficace à 100 %, il y a des pertes de puissance à chaque étape. Quel que soit le dispositif d'alimentation électrique qu'ils déve-loppent, les ingénieurs de conception sont donc forcément confrontés à ce problème. Mais les pertes de commutation peuvent être minimisées par une optimisation des paramètres de conception liés à l'efficacité énergétique. Dans un système de puissance, les commutations idéales ont une dissipation d'énergie nulle, mais elles n'existent pas en pratique. ANDREA VINCI (TEKTRONIX EMEA) Andrea Vinci a obtenu son Master en génie électronique de l'université de Padoue en 2000, contribuant à la norme IVI pour le test et la mesure. Il a ensuite passé dix ans à coordonner des projets de test et de certification dans plusieurs entreprises. Il rejoint Tektronix en 2011, et est nommé responsable marketing technique EMEA en novembre 2019. La méthode de test la plus couramment mise en œuvre pour mesurer les paramètres de commutation d'un Mosfet ou d'un IGBT est celle du test à double impulsion. En déterminant les paramètres d'activation, de désactivation et de recouvrement inverse ( reverse recovery ), les ingénieurs peuvent évaluer de manière précise le comportement dynamique d'une alimentation dans différentes conditions, qu'il s'agisse d'optimiser le dispositif lui-même ou de confirmer la valeur réelle, ou l'éventuel écart, d'un module. Pour réaliser un test à double impulsion, il faut pouvoir générer au moins deux impulsions de tension ayant des largeurs variables et un séquencement précis. Mais cette procédure prend beaucoup de temps, et génère des erreurs. Les choses sont toutefois en train de changer avec l'avènement des générateurs de fonctions et de formes d'onde arbitraires (AFG) équipés d'un logiciel applicatif ad hoc . Un circuit électronique de puissance voit un commutateur Mosfet sous un aspect très différent (b) de celui représenté sur un schéma (a). Avant de s'intéresser à la mise en œuvre d'un test à double impulsion, faisons un rappel sur la commutation de puissance. Un dispositif idéal est soit « activé » ( On ), soit « désactivé » ( Off ), et bascule instantanément entre ces états ( voir figure 1 ). À l'état « activé », l'impédance du commutateur est égale à zéro et aucune puissance n'est dissipée dans le commutateur, quelle que soit la quantité de courant qui le traverse. À l'état « désactivé », l'impédance est infinie et aucun courant ne circule ; aucune puissance n'est donc dissipée. En pratique, on constate toutefois la dissipation d'une puissance lors de la transition entre l'état « activé » et l'état « désactivé » (désactiver) et vice-versa (activer). Le test à double impulsion est généralement réalisé avec une charge inductive, qui sert à reproduire les conditions du circuit dans le convertisseur, et une alimentation. Le courant suit les flux indiqués avec des Mosfet en tant qu'appareil sous test (DUT). d N Le courant suit le flux indiqué avec les IGBT en tant qu'appareil sous test (DUT). AFG31000 Ces comportements réels sont dus à la présence d'éléments parasites dans le circuit. Les capacités parasites sur la grille ralentissent en effet la vitesse de commutation du dispositif ( voir figure 2 ), ce qui rallonge les temps d'activation et de désactivation. Les résistances parasites entre le drain et la source du Mosfet dissipent une puissance lorsqu'un courant de drain circule. Par conséquent, les concepteurs doivent mesurer tous ces paramètres de synchronisation pour limiter au minimum les pertes de commutation et, ainsi, concevoir des convertisseurs de puissance plus efficaces. Le test à double impulsion La double impulsion est une méthode de test qui permet de mesurer les paramètres de commutation et d'évaluer le comportement dynamique des dispositifs de puissance. Les résultats de ce test permettent de garantir la spécification de la fiche tech-nique d'un dispositif de puissance, tel que des Mosfet ou des IGBT, de confirmer la valeur réelle, ou l'écart, d'une alimentation ou d'un module de puissance, ou encore de mesurer les paramètres de commutation selon différentes conditions de valeur de courant et de nombreux dispositifs. Les paramètres mesurés s'articulent autour de ceux de mise en marche, de désactivation et de recouvrement inverse. Il s'agit, pour la première catégorie, du délai d'activation (t d(On) ), du temps de mon-tée (t r ), du temps d'activation (t On ), de l'énergie d'activation (E On ) et des valeurs dv/dt et di/dt, qui permettent de détermi-ner la perte d'énergie. En ce qui concerne le deuxième type de paramètres, on retrouve le délai de désactivation(t d(Off) ), le temps de descente (t f ), le temps de désactivation (t Off ), l'énergie de désactivation (E Off ), et là encore les valeurs dv/dt et di/dt et de perte d'énergie. Enfin, les paramètres de recouvrement inverse sont le temps (t rr ), le courant (I rr ), la charge (Q rr ), l'énergie (E rr ), la valeur di/dt et la tension directe ( forward voltage , V sd ). On trouve ici les formes d'onde qui résultent généralement d'un test à double impulsion. Le test à double impulsion est généralement réalisé avec une charge inductive, dont le rôle est de reproduire les conditions du circuit dans le convertisseur, et une alimentation ( voir figure 3 ). Un générateur AFG permet d'émettre des impulsions qui déclenchent la grille du Mosfet et l'activent pour initier la conduction du courant. La figure 3 montre aussi la circulation du courant dans les différentes étapes pour un test à double impulsion réalisé avec des Mosfet. Le même flux de courant s'applique également lors de l'utilisation des IGBT ( voir figure 4 ). Les mesures obtenues avec un Mosfet, ou un IGBT, sont indiquées dans la figure 5. Intéressons-nous maintenant aux différentes étapes du test à double impulsion et à l'importance de contrôler la largeur et la durée des impulsions. La première étape, représentée par l'impulsion d'activation numéro 1, correspond à la largeur d'impulsion ajustée initialement. Elle établit le courant dans l'inducteur. Cette impulsion est ajustée pour atteindre le courant de test souhaité (I d ), comme illustré par la figure 5. La deuxième étape est la désactivation de la première impulsion qui crée du courant dans la diode de roue libre. La période de désactivation est courte afin de maintenir le courant de charge aussi proche que possible d'une valeur constante. Cela se voit sur les figures 3 et 4 où le courant traverse la diode du transistor Mosfet, ou IGBT, du haut. La double impulsion dépend d'un AFG connecté au pilote de grille isolé et qui peut générer deux impulsions de tension avec des largeurs d'impulsion différentes. V G1 La deuxième étape est représentée par la deuxième impulsion d'activation. Sa largeur d'impulsion est plus courte que celle de la première impulsion, de sorte que l'appareil ne surchauffe pas. La deuxième impulsion doit être suffisamment longue pour que les mesures puissent être faites. Le dépassement actuel observé sur la figure 5 est dû au recouvrement inverse de la diode de roue libre depuis le Mosfet, ou l'IGBT, du haut. Les mesures des temps de désactivation et d'activation sont alors réalisées lors de la désactivation de la première impulsion et de l'activation de la deuxième impulsion. Flexibilité et création rapide des formes d'onde La configuration de l'équipement pour l'exécution d'un test à double impulsion est relativement simple, comme le montre la figure 6, et commune à la plupart des services d'ingénierie. Le système configuré comprend un oscilloscope numérique de milieu de gamme, une sonde avec réjection de tension en mode commun élevé, des sondes différentielles et de courant, ainsi qu'une alimentation DC ou une unité de source-mesure (SMU) pour fournir la tension de charge. Le logiciel de test à double impulsion améliore l'efficacité et la stabilité pour des cas de test variés. Pour réaliser le test, l'AFG se connecte au pilote de grille isolé et doit être capable de générer au moins deux impulsions de tension avec différentes largeurs d'impulsion. Comme décrit précédemment, la première largeur d'impulsion est généralement longue et ajustée pour obtenir la valeur de courant de commutation souhaitée. La deuxième impulsion doit être ajustée indépendamment de la première, et est généralement plus courte afin que le dispositif d'alimentation ne soit pas détruit. La flexibilité et la création rapide de formes d'onde sont des facteurs essentiels à prendre en compte lors de la mise en place de la configuration de test. Le test à double impulsion est utile à toutes les étapes, du composant jusqu'au produit final, ce qui comprend la recherche et le développement, la vérification et la caractérisation, ainsi que l'analyse et la correction des défaillances de fonctionnement. Compte tenu du panel de cas d'utilisation, les chercheurs et ingénieurs ont besoin de pouvoir modifier les paramètres facilement et intuitivement et d'exécuter les cas de tests avec une grande efficacité et une stabilité élevée. Bien qu'il existe plusieurs façons de créer manuellement des impulsions à l'aide d'un PC ou de microcontrôleurs, l'une des plus simples et des plus fiables consiste à uti-liser un AFG équipé d'une application de test à double impulsion ( voir figure 7 ). Ce type de logiciel permet à l'utilisateur de configurer un certain nombre de paramètres à partir d'une seule fenêtre d'application, tels que le nombre d'impulsions (de 2 à 30), les largeurs d'impulsion (de 20 ns à 150 µs), la tension basse et la tension haute, le délai de déclenchement, la source de déclenchement (manuel, externe ou séquencé) et la charge (50 O ou une impédance plus élevée). Ce schéma représente les points de test de mesure avec un oscilloscope numérique. Ils sont utilisés dans l'exemple avec la carte d'évaluation EVAL6498L de STMicroelectronics. En regardant ces formes d'onde à double impulsion, on remarque que le dépassement de courant observé sur I ds est dû au recouvrement inverse de la diode de roue libre du Mosfet, ou de l'IGBT, du haut. Un exemple avec des Mosfet 600 V Pour montrer comment effectuer un test à double impulsion, nous avons choisi une carte d'évaluation STMicroelectronics (EVAL6498L) et des Mosfet 600 V à canal N, de courant de drain de 7,5 A, également de STMicroelectronics (STFH10N60M2). Les connexions de puissance sont les suivantes : les Mosfet sont soudés à la carte – Q2 est en bas et Q1 en haut – ; la grille et la source sur Q1 doivent être court-circuitées, car Q1 n'est pas activé ; la résistance de grille est soudée pour Q2 (R 100 O) ; la voie CH1 de l'AFG est connectée aux entrées PWM_L et GND de la carte d'évaluation ; une alimentation est connectée aux entrées Vcc et GND de la carte d'évaluation pour alimenter le pilote de grille ; une SMU est connectée à HV et GND pour alimenter l'inducteur ; l'inducteur est également connecté à HV et OUT. Une fois toutes les connexions d'alimentation branchées, nous avons ensuite connecté les sondes de l'oscilloscope à Q2 (Mosfet du bas), comme le montre la figure 8. Puisque la tension V GS est sensible au bruit de mode commun, nous avons utilisé une sonde à taux de réjection de mode commun élevé. Une sonde de tension différentielle a été connectée à V DS et une sonde de courant via une boucle a été utilisée sur la source du Mosfet. En ce qui concerne l'AFG, l'amplitude des impulsions, la largeur de la première impulsion, l'écart et la seconde impulsion ont été initialisées respectivement à 2,5 V, 10 µs, 5 µs et 5 µs avec un déclenchement manuel. Ces formes d'onde ont été capturées sur l'oscilloscope pour les paramètres d'activation. Les paramètres d'activation et de désactivation sont calculés à l'aide de la méthode standard décrite ici. Une fois la source initialisée à 100 V et l'oscilloscope configuré pour prendre une mesure de déclenchement unique, l'AFG a émis les impulsions de sortie, ce qui a généré les formes d'onde présentées à la figure 9. Comme on peut le constater, les formes d'onde ressemblent à celles de la figure 5. Le dépassement de courant observé sur I ds est dû au recouvrement inverse de la diode de roue libre du Mosfet ou de l'IGBT du haut. Ce pic est intrinsèque au dispositif utilisé et contribue aux pertes de puissance. Pour calculer les paramètres d'activation et de désactivation, nous avons examiné le front descendant de la première impulsion et le front montant de la deuxième impulsion. La méthode standard utilisée dans le métier pour mesurer les paramètres d'activation et de désactivation est illustrée à la figure 10 et se présente comme suit : t d(on) est l'intervalle de temps entre V GS à 10 % de son pic et V ds à 90 % de son amplitude maximale ; t r est l'intervalle de temps entre V DS à 90 % et 10 % de son amplitude maximale ; t d(off) est l'intervalle de temps entre V GS à 90 % de son pic et V ds à 10 % de son amplitude maximale ; t f est l'intervalle de temps entre V DS à 10 % et V DS à 90 % de son amplitude maximale. Ces formes d'onde ont été capturées sur l'oscilloscope pour les paramètres de désactivation. um théorique pour les LED Le courant de récupération inverse se produit lors de l'activation de la deuxième impulsion. V CE V GE Utiliser la fonction intégrale de l'oscilloscope La figure 11 montre les formes d'onde capturées sur l'oscilloscope pour les paramètres d'activation. À l'aide des curseurs, nous avons pu récupérer le paramètre de synchronisation, puis utiliser la fonction Math pour calculer la perte d'activation pendant cette transition. L'équation suivante a ensuite permis de calculer les pertes d'énergie pendant la transition : t E E V I dt. on off 0 DS DS L'utilisation t E rr V sd I de rr, max dt la fonction intégrale sur 0 l'oscilloscope pour cet exemple spécifique donnerait E on 4,7 µJ. Il s'agit d'une perte d'énergie relativement faible, puisque nous n'appliquons que des niveaux de tension et de courant nominaux. Comme pour l'activation, nous avons utilisé des curseurs pour récupérer les paramètres de synchronisation et de désactivation, ce qu'illustre la figure 12, et nous avons à nouveau utilisé la fonction Math pour calculer la perte de désactivation pendant la transition. Nous avons également utilisé la même équation pour calculer les pertes d'énergie pendant la période de transition, et on obtient E off 1,68 µJ. Là encore, il s'agit d'une perte d'énergie relativement faible puisque nous n'appliquons que des niveaux de tension et de courant nominaux. La dernière étape de la procédure de test consistait à mesurer les caractéristiques de diode inverse du Mosfet. Le courant de recouvrement inverse se produit lors de l'activation de la deuxième impulsion. Comme le montre la figure 13, la diode conduit dans un état direct pendant le tra-jet de courant 2. Lorsque le Mosfet du bas se rallume, la diode veut immédiatement passer à une condition de blocage inverse ; cependant, la diode fonctionnera dans une condition inverse pendant une courte période appelée courant de recouvrement inverse. Ce courant de recouvrement inverse se traduit par des pertes d'énergie, qui ont un impact direct sur l'efficacité du convertisseur de puissance. Les mesures sont effectuées sur le Mosfet du haut. Cela est fait en mesurant I d à travers le Mosfet du haut et V sd à travers la diode. La figure 13 montre également comment sont obtenus les paramètres de recouvrement inverse suivants. Il s'agit notamment des paramètres t rr (temps de recouvrement inverse), I rr (courant de recouvrement inverse), Q rr (charge de recouvrement inverse), E rr (énergie de recouvrement inverse), di/dt et V sd (tension de transmission). Les formes d'onde A représentées à la figure 14 ont été capturées à une tension de 20 V appliquée à partir du SMU. Les curseurs nous ont permis de récupérer les paramètres de synchronisation. Toujours en utilisant la fonction Math, nous avons calculé la perte d'énergie de recouvrement inverse pendant cette transition. L'équation suivante a été utilisée pour calculer les pertes d'énergie t E on E off pendant V DS I DS dt. 0 la transition : Ces formes d'onde de recouvrement inverse ont été capturées à une tension de 20 V appliquée à partir d'une unité de source-mesure (SMU). Maximum théorique pour les LED t E rr V sd I rr, max dt 0 . En utilisant la fonction intégrale sur l'oscilloscope, on obtient E rr 7 µJ. n

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