Utiliser des diodes TVS asymétriques pour protéger les circuits critiques contre les surtensions transitoires destructrices

Les pics de tension transitoire ou les pointes d'énergie ont divers impacts sur les circuits électroniques, de la simple gêne à la catastrophe. Ces transitoires peuvent provenir de sources comme la foudre et les décharges électrostatiques ou inductives (Figure 1).

Figure 1 : Les transitoires peuvent être dus à des phénomènes tels que la foudre et les décharges électrostatiques ou inductives, et endommager sérieusement les composants électroniques non protégés. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Ces transitoires peuvent générer des impulsions avec des tensions de crête de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers de volts, des courants de l'ordre du kiloampère, le tout durant quelques centaines de nanosecondes à plusieurs millisecondes.

La miniaturisation des circuits intégrés et des processeurs ainsi que la réduction des tensions d'alimentation ont accru la sensibilité aux transitoires électriques. C'est particulièrement vrai pour les véhicules, dans lesquels divers systèmes électroniques contrôlent tout, notamment le moteur, la direction, le freinage, la climatisation et le divertissement.

Plusieurs stratégies de conception ont été développées pour protéger les circuits sensibles, notamment le câblage blindé, les filtres, les crowbars et les dispositifs de blocage. Le blindage et le filtrage utilisent des conceptions passives, tandis que les crowbars et la protection de blocage utilisent des mécanismes actifs. Les dispositifs crowbars comme les éclateurs, les tubes à décharge gazeuse et les thyristors dévient les transitoires vers la terre pour protéger les circuits. Le dispositif protégé ne fonctionne pas lorsque le crowbar est actif, mais redevient opérationnel une fois que le transitoire se dissipe.

Les dispositifs de blocage incluent les varistances à oxyde métallique (MOV), les diodes Zener et les diodes avalanches de suppression de tension transitoire (TVS) qui maintiennent une tension constante au niveau du dispositif protégé en faisant varier l'impédance. Ces techniques peuvent être utilisées individuellement ou simultanément. Les diodes TVS sont largement privilégiées comme dispositifs de blocage en raison de leurs temps de réponse rapides et de leur haute dissipation de puissance.

Diodes de suppression de tension transitoire

La diode TVS est une diode avalanche qui agit comme un dispositif de blocage permettant de dévier le courant excédentaire lorsque la tension appliquée dépasse sa tension de claquage par avalanche, en maintenant ou en bloquant la tension à un potentiel constant. Elle se réinitialise automatiquement lorsque la tension appliquée passe en dessous de la valeur de claquage.

Les diodes TVS sont disponibles en tant que dispositifs unidirectionnels qui protègent contre les transitoires d'une seule polarité et en tant que dispositifs bidirectionnels qui protègent contre les transitoires de l'une ou l'autre polarité (Figure 2). Les composants bidirectionnels peuvent être symétriques (bloquant la même amplitude de tension de l'une ou l'autre polarité) ou asymétriques (bloquant à différents niveaux de tension en fonction de la polarité du transitoire).

Figure 2 : Caractéristiques de claquage courant-tension des trois types de dispositifs TVS et symboles schématiques correspondants. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

La diode TVS unidirectionnelle fonctionne comme une simple diode, en étant conductrice en cas de polarisation directe et non conductrice en cas de polarisation inverse jusqu'à ce que la tension de claquage de la diode (V_BR) soit dépassée. Lorsque la tension appliquée dépasse V_BR, la diode est conductrice et maintient la tension qui la traverse au niveau de la tension de blocage (V_C). La diode peut dissiper une puissance maximum de courant d'impulsion de crête (I_PP) x V_C.

La diode TVS bidirectionnelle agit comme deux diodes tête-bêche. Un faible courant de fuite inverse (I_R) circule jusqu'à ce que la tension de claquage (V_BR) soit dépassée dans un sens ou dans l'autre. Le fonctionnement est symétrique, car l'amplitude de la tension de claquage est la même dans les deux cas de polarisation.

La diode TVS asymétrique agit comme le dispositif bidirectionnel, mais les tensions de claquage (V_BR1 et V_BR2) diffèrent.

La diode TVS asymétrique

Vous vous demandez peut-être quelle est l'utilité de la diode TVS asymétrique. Elle a été conçue pour protéger les circuits d'attaque de grille sur les MOSFET en carbure de silicium (SiC). En raison de la vitesse élevée des commutateurs SiC, ces circuits d'attaque sont susceptibles d'être endommagés par les surtensions transitoires. Prenons l'exemple d'un MOSFET SiC pour la charge embarquée ou d'un onduleur de traction (Figure 3).

Figure 3 : Diode TVS asymétrique TPSMB1505CA protégeant le circuit d'attaque de grille d'un commutateur MOSFET SiC. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

La diode TVS asymétrique TPSMB1505CA de Littelfuse est utilisée pour protéger le circuit d'attaque de grille du MOSFET. Le circuit d'attaque de grille a deux états : l'état passant présente une tension de grille comprise entre -5 V et +10 V, tandis que l'état bloqué commande la grille jusqu'à moins de -10 V. La diode TPSMB1505CA a une tension de claquage nominale de la cathode (K) à l'anode (A) de 16,7 V à 18,5 V avec une tension de blocage maximum de 24,4 V. La valeur I_pp dans ce sens est de 24,6 A pour une durée d'impulsion transitoire comprise entre 10 et 1000 ms.

La tension de claquage A à K pour la diode TVS est de 6,8 V à 7,4 V, avec une tension de blocage maximum de 11,5 V. Le courant d'impulsion de crête dans ce sens est de 60 A pour la même durée d'impulsion transitoire de 10 à 1000 ms. Notez que ces performances sont atteintes avec un seul composant. Il faudrait de nombreux composants pour obtenir ce fonctionnement asymétrique avec des dispositifs individuels.

Les diodes TVS asymétriques série TPSMB de Littelfuse (Figure 4) incluent deux composants supplémentaires qui diffèrent par leurs tensions de claquage K à A. La diode TPSMB1805CA offre une plage de tensions de claquage K à A de 20,0 V à 21,1 V avec une tension de blocage maximum de 29,2 V. La valeur nominale I_pp est de 20,6 A pour une durée d'impulsion de 10 à 1000 ms. La plage de claquage A à K est la même que celle de la diode TPSMB1505CA (6,8 V à 7,4 V).

Figure 4 : Les dispositifs asymétriques TPSMB sont fournis en boîtier à montage en surface DO-214AA avec une barre gravée désignant le côté K du dispositif. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

La diode TPSMB2005CA a une plage de tensions de claquage K à A de 22,2 V à 24,5 V et une tension de blocage maximum de 32,4 V. La valeur nominale I_pp est de 18,6 A pour la même durée d'impulsion que les autres diodes. La plage de claquage A à K est la même que celle de la diode TPSMB1505CA.

Ces trois diodes TVS ont une puissance d'impulsion de crête de 600 W pour des durées de forme d'onde de 10 à 1000 ms, et sont toutes certifiées AEC-Q101 pour l'automobile. Elles sont fournies en boîtier à montage en surface DO-214AA pour optimiser l'espace carte et permettre de placer les diodes à proximité des contacts du circuit pour la meilleure protection possible. Une barre gravée sur le boîtier indique le côté K du dispositif.

Conclusion

Les séries de diodes TVS asymétriques et symétriques TPSMB sont idéales pour protéger les circuits électroniques sensibles contre les surtensions transitoires causées par la foudre et les décharges électrostatiques ou inductives. Les dispositifs TPSMB asymétriques sont particulièrement bien adaptés à la protection des circuits d'attaque de grille des commutateurs SiC rapides, où un seul composant TVS couvre à la fois les niveaux d'attaque d'activation et de désactivation.