Utiliser des circuits d'attaque de grille en demi-pont non isolés à masse flottante

Les concepteurs de produits doivent concilier de multiples contraintes : empreinte, coût, fiabilité et délai de mise sur le marché. L'un des principaux défis consiste à sélectionner une alimentation qui s'intègre dans les espaces restreints requis pour les applications modernes.

Les étages de puissance hautes performances compacts s'appuient sur des solutions d'attaque de grille rapides et fiables. Ces solutions s'étendent de simples circuits d'attaque bas potentiel à des versions entièrement isolées adaptées aux environnements haute tension. Pour de nombreuses conceptions, un circuit d'attaque de grille non isolé à masse flottante constitue un choix efficace pour réussir.

Les circuits d'attaque de grille agissent comme intermédiaires entre les signaux de commande basse puissance — provenant souvent d'un microcontrôleur ou d'un contrôleur à modulation de largeur d'impulsion (PWM) — et les commutateurs haute puissance qui régulent le flux d'énergie. Ils garantissent une commutation propre, rapide et précise pour optimiser la distribution de puissance.

La sélection du circuit d'attaque de grille approprié implique l'évaluation des exigences de tension et de courant, de la topologie et de la fréquence de commutation. Un circuit d'attaque bien adapté améliore le rendement, la précision de temporisation et la stabilité thermique, autant d'éléments essentiels pour les systèmes hautes performances compacts.

Avantages de la topologie en demi-pont

La topologie en demi-pont est une approche largement utilisée dans la conversion de puissance moderne, permettant la régulation efficace de la tension dans les conceptions compactes. Elle s'appuie sur deux dispositifs de commutation haute vitesse — généralement des MOSFET ou des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) — qui alternent la tension d'entrée, en alimentant un transformateur dans les conceptions isolées, ou en alimentant directement la charge dans les systèmes non isolés. Cette topologie est appréciée pour son rendement et son potentiel d'optimisation thermique.

Un circuit intégré d'attaque de grille joue un rôle crucial dans le contrôle de ces commutateurs, agissant comme interface entre le contrôleur et l'étage de puissance. Il convertit les signaux PWM en signaux d'attaque à fort courant, garantissant la commutation rapide et précise des transistors haut potentiel et bas potentiel. Cette opération rapide et efficace minimise la perte d'énergie et améliore les performances globales du système.

Dans un circuit en demi-pont, la source du MOSFET haut potentiel se connecte au nœud de commutation, qui se déplace rapidement entre la masse (0 V) et la tension d'entrée (par exemple, 12 V, 48 V, etc.) en fonction du cycle de commutation. Avec un circuit d'attaque de grille non isolé à masse flottante, le circuit d'attaque haut potentiel « flotte » avec la tension au niveau du nœud de commutation, permettant des transitions propres et efficaces.

Lorsqu'aucun isolement n'est requis, et que la compacité, la vitesse et le rendement sont des priorités, les circuits d'attaque de grille en demi-pont non isolés à masse flottante offrent une solution idéale. Conçus pour contrôler des commutateurs MOSFET haut potentiel et bas potentiel, ces circuits d'attaque éliminent la complexité de l'isolement tout en garantissant des performances de commutation précises. Comme ils ne fournissent pas de séparation galvanique entre la logique de commande et l'étage de puissance, ils fonctionnent mieux dans les systèmes où tous les composants partagent une masse commune.

La génération de la tension de commande de grille requise pour le MOSFET haut potentiel repose généralement sur un condensateur auto-élévateur. Ce condensateur se charge lorsque le commutateur bas potentiel est actif et fournit de l'énergie lorsque le commutateur haut potentiel s'active.

Lorsque le MOSFET bas potentiel conduit, le nœud de commutation passe à la masse, permettant à un petit circuit diode-condensateur de charger le condensateur auto-élévateur à partir du rail d'alimentation. Lorsque le MOSFET haut potentiel doit s'activer, le circuit d'attaque exploite cette charge stockée pour commander la grille à une tension supérieure à celle du nœud de commutation, souvent 10 V à 15 V plus élevée.

Les concepteurs doivent s'assurer que le commutateur bas potentiel s'active suffisamment souvent pour recharger le condensateur auto-élévateur. Dans les applications à rapport cyclique élevé, des précautions supplémentaires peuvent être nécessaires, telles que la sélection de la valeur correcte du condensateur et la minimisation de la chute de tension à travers la diode auto-élévatrice.

En tirant parti de l'architecture auto-élévatrice et en suivant la tension du nœud de commutation, les circuits d'attaque en demi-pont non isolés à masse flottante éliminent la complexité liée à l'isolement tout en garantissant un contrôle haut potentiel robuste. Grâce à leur simplicité et à leur rendement, ils conviennent parfaitement aux applications de commutation haute fréquence telles que les convertisseurs abaisseurs et élévateurs, les régulateurs synchrones, les entraînements de moteur et les amplificateurs audio de classe D.

Sélectionner le circuit intégré d'attaque de grille approprié

La sélection du circuit d'attaque de grille approprié est essentielle pour garantir un fonctionnement efficace, fiable et sûr de l'étage de puissance, en particulier dans les applications de commutation haute vitesse telles que les convertisseurs abaisseurs, les entraînements de moteur et les systèmes d'énergie solaire. Bien que les principes fondamentaux d'attaque de grille s'appliquent largement, certains critères de sélection deviennent particulièrement critiques en fonction des exigences du système.

Dans les systèmes de conversion d'énergie solaire et les systèmes alimentés par batterie, par exemple, le circuit d'attaque de grille doit accepter de larges variations de tension d'entrée et des conditions de charge changeantes. Une tension nominale haut potentiel avec une marge suffisante est nécessaire pour résister aux fluctuations du rail d'alimentation et garantir une fiabilité à long terme.

L'immunité transitoire en mode commun (CMTI) est une autre considération clé. Les événements de commutation rapide peuvent générer des différentiels de tension importants entre les MOSFET haut potentiel et bas potentiel, entraînant bruit et oscillations. Les circuits d'attaque de grille avec valeur CMTI élevée offrent une meilleure stabilité dans les environnements électriquement bruyants.

Le courant d'attaque de crête est tout aussi important, en particulier dans les applications haute puissance. Le circuit d'attaque doit fournir suffisamment de courant pour charger rapidement la grille MOSFET et surmonter la capacité parasite, réduisant ainsi les pertes de commutation et améliorant les performances thermiques.

Enfin, le contrôle du temps de récupération joue un rôle crucial dans les configurations en demi-pont. Sans un bref délai entre la désactivation d'un commutateur et l'activation de l'autre, un phénomène shoot-through peut se produire, où les deux MOSFET conduisent simultanément. De nombreux circuits d'attaque de grille offrent des paramètres de temps de récupération intégrés ou ajustables pour éviter ce problème et permettre un fonctionnement sûr et efficace dans différentes conditions de charge.

Gamme LTC706x d'ADI

Grâce à leur simplicité et à leurs capacités de commutation haute vitesse, les circuits d'attaque en demi-pont non isolés à masse flottante constituent une solution optimale pour de nombreuses conceptions. Analog Devices, Inc. (ADI) propose une gamme de dispositifs haute tension riches en fonctionnalités, conçus pour les applications exigeantes.

Les circuits d'attaque de grille en demi-pont non isolés à masse flottante LTC706x d'ADI (Figure 1) offrent des solutions polyvalentes pour répondre aux exigences de conversion de puissance haute vitesse et haute tension. S'adressant à un large éventail d'applications allant de l'automobile au contrôle industriel, ces dispositifs offrent un contrôle de temporisation strict, une protection shoot-through et une puissance de commande élevée dans des boîtiers compacts.

Figure 1 : Facteur de forme des circuits d'attaque en demi-pont non isolés à masse flottante LTC706x d'ADI. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Offrant une gamme d'options pour répondre aux exigences de tension, de logique et de configuration, les produits d'ADI aident les concepteurs à atteindre le bon équilibre entre simplicité et performances au niveau système. Tous les produits prennent en charge les MOSFET à canal N pour fournir une résistance à l'état passant (RDS_ON) plus faible, des vitesses de commutation plus rapides et des capacités de tenue en courant plus élevées que les MOSFET à canal P.

Deux dispositifs prennent en charge une tension d'alimentation maximum de 100 V :

• Le LTC7060 est optimisé pour les systèmes qui s'appuient sur une seule entrée PWM avec capacité à trois états, lui permettant de dériver la temporisation d'attaque de grille haut potentiel et bas potentiel à partir d'une seule ligne de commande. Cela simplifie les interfaces des contrôleurs numériques et réduit le nombre de broches pour une utilisation dans les applications à espace restreint. Le mode d'entrée à trois états permet également un état haute impédance sûr, ajoutant une couche de tolérance aux défauts dans certains scénarios de défaillance. Ce dispositif constitue un bon choix pour les concepteurs privilégiant la simplicité et la compacité.
• Le LTC7061 est conçu pour les applications qui fournissent des entrées de niveau logique TTL ou CMOS indépendantes pour les commutateurs haut potentiel et bas potentiel. Cette approche à deux entrées permet une plus grande flexibilité et un meilleur contrôle de temporisation, ce qui est particulièrement utile dans les systèmes où le temps de récupération est géré de manière externe par un microcontrôleur ou un contrôleur PWM. Pour les concepteurs ayant besoin d'un contrôle strict sur le comportement de commutation ou implémentant des stratégies de temporisation personnalisées, le LTC7061 offre une interface plus adaptable avec une flexibilité de contrôle pour ajuster les performances.

Pour les applications dans lesquelles les tensions d'entrée dépassent 100 V, comme les entraînements de moteurs industriels, les rails 48 V automobiles ou l'infrastructure Power over Ethernet, les concepteurs peuvent tirer parti de deux options supportant une tension d'alimentation maximum de 140 V :

• Le LTC7063 est doté d'une entrée PWM à trois états, permettant le contrôle des MOSFET haut potentiel et bas potentiel via un seul signal d'entrée. Cette configuration simplifie l'interface de commande, car la broche PWM détermine l'état des MOSFET en fonction de son niveau de tension. Les concepteurs peuvent privilégier cette solution pour les applications haute puissance qui bénéficient d'une interface de commande simplifiée, d'un nombre de broches réduit et d'une complexité de routage des signaux minimisée sur des circuits imprimés denses. Une application pratique du LTC7063 est une conception de convertisseur abaisseur 2:1 avec une charge distante (Figure 2). Fonctionnant à partir d'une alimentation d'entrée jusqu'à 80 V, cette configuration délivre la moitié de la tension d'entrée (½ V_IN) à une charge maximum de 5 A.

Figure 2 : Conception d'un convertisseur abaisseur avec charge distante utilisant le circuit d'attaque de grille en demi-pont non isolé à masse flottante LTC7063. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

• Le LTC7066 accepte des entrées de niveau logique CMOS/TTL indépendantes pour les circuits d'attaque haut potentiel et bas potentiel, fournissant des signaux de commande séparés pour chaque MOSFET. Cela offre un contrôle précis et flexible, permettant aux concepteurs de tirer le meilleur parti de la temporisation, du temps de récupération et du comportement de commutation. Il est donc idéal pour les systèmes à commande numérique de précision, tels que ceux utilisant des contrôleurs numériques hautes performances ou des FPGA.

Qu'ils fonctionnent dans des environnements basse ou haute tension, les dispositifs de la gamme de produits incluent des protections essentielles et des paramètres de réglage qui aident les concepteurs à exploiter au maximum les performances des étages de puissance.

Chaque produit offre une protection shoot-through adaptative pour empêcher les MOSFET haut potentiel et bas potentiel d'être conducteurs en même temps. De plus, chaque dispositif prend en charge un temps de récupération ajustable, permettant aux concepteurs de régler avec précision le délai entre les transitions de commutation afin de minimiser les pertes et d'éviter la conduction croisée sans sacrifier le rendement. Le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) est une autre fonctionnalité courante, garantissant que le circuit d'attaque de grille ne fonctionne que lorsque les tensions d'alimentation se situent dans des seuils de sécurité.

Du point de vue des performances, tous les dispositifs LTC706x offrent une impédance d'attaque de grille élevée, avec des valeurs typiques d'excursion haute de 1,5 Ω et d'excursion basse de 0,8 Ω. Cela permet une charge et une décharge de grille rapides, ce qui est essentiel pour une commutation rapide, un contrôle de temporisation strict et des pertes de commutation réduites dans les applications haute vitesse.

Pour les applications à rapport cyclique élevé où les méthodes auto-élévatrices conventionnelles ne sont pas adaptées, les concepteurs peuvent évaluer des techniques d'attaque de grille alternatives. Les compromis de chaque technique en termes de complexité, de rendement et de coût doivent être pris en compte. Les circuits d'attaque de grille isolés, par exemple, utilisent des transformateurs ou des isolateurs numériques pour fournir des tensions de commande de grille indépendantes, éliminant ainsi le recours à des mécanismes de charge auto-élévateurs, tandis que les alimentations à polarisation directe peuvent fournir une tension de commande de grille stable indépendante des cycles de commutation.

Conclusion

Dans les applications haute puissance où la vitesse, le rendement et la conception compacte sont essentiels, les circuits d'attaque de grille en demi-pont non isolés à masse flottante offrent une solution optimale pour contrôler les MOSFET haut potentiel et bas potentiel. En utilisant un circuit auto-élévateur pour générer la tension de commande de grille nécessaire, ces circuits d'attaque éliminent la complexité des conceptions isolées tout en maintenant des performances de commutation précises. La gamme de produits LTC706x d'ADI offre des solutions polyvalentes pour répondre aux exigences de conversion de puissance haute vitesse et haute tension.