Transistor MOS en commutation, la commutation MOSFET/MOSFET
La demande justifiée de rendements élevés, notamment à faible charge, a conduit les concepteurs de convertisseurs à privilégier les composants unipolaires que sont les transistors à effet de champ (MOSFET) par rapport au IGBT (bipolaires). En effet, ils se comportent comme des résistances et engendrent des pertes « quadratiques », proportionnelles au carré du courant, dont l’importance décroît avec le taux de charge, ce qui peut compenser les pertes constantes qui ont tendances à faire chuter le rendement à faible charge (pertes des auxiliaires). Leur utilisation est de plus en plus fréquente en conduction inverse commandée, en lieu et place des diodes pour réduire les chutes de tension, méthode couramment désignée comme du redressement synchrone. Dès lors, la cellule de commutation fait intervenir principalement deux MOSFET, et la tentation est grande de ne pas utiliser de diode de commutation externe mais la diode intrinsèque du MOSFET. C’est là que le drame arrive parfois. La diode intrinsèque du MOSFET existe par construction des différentes zones constituant l’interrupteur, mais ces zones sont conçues et optimisées pour le fonctionnement en MOSFET et non en diode. Selon le calibre et la manière de concevoir l’interrupteur, la diode intrinsèque présente des caractéristiques en commutation allant d’acceptables à catastrophiques. Disons-le tout de suite, il est inutile d’espérer des cellules de commutation fonctionnelles en utilisant des MOSFET à super-jonction ! En effet, leurs diodes intrinsèques ont des caractéristiques désastreuses. Mais il peut aussi être difficile de faire fonctionner des transistors MOS en commutation (cellules MOS/MOS) avec des MOSFET planar de 200V. Même lorsque les pertes par recouvrement de la diode intrinsèque sont intéressantes par rapport au gain apporté par le redressement synchrone, ce recouvrement présente souvent des pentes de relâchement très raides, ce qui crée dans l’inductance parasite de la maille de commutation des surtensions potentiellement dangereuses.
La figure 1 illustre une commutation avec des MOSFET super-jonction 600V. Ils commutent 150V et 5A seulement, et on peut observer en jaune un courant de recouvrement de 67A, avec surtout une pente de relâchement après le pic du recouvrement de 3,3 A/ns. Dans cette cellule, cela entraînait une surtension de 170V et limitait la tension maximale du bus DC.
Figure 1 : Commutation MOS/MOS -150V/5A
En conclusion , il est primordial de bien valider le comportement de la cellule de commutation de vos convertisseurs avant d’aller plus loin dans la conception. C’est valable pour le comportement des composants, pour quantifier l’inductance de la maille, pour estimer les pertes en commutation et anticiper les perturbations CEM sur les ordres de commandes et les mesures. Il est nécessaire pour cela de disposer d’un oscilloscope et de sondes avec des bandes passantes élevées (>500MHz). Cela permet d’éviter de nombreux problèmes lors de la phase de prototypage, quelques explosions de composants et des modifications très coûteuses en temps et en argent.
