Simplifier la conception de l'alimentation électrique en surmontant le défi de l'alimentation du conducteur de grille

Les systèmes de conversion de puissance dans les véhicules électriques suivent la configuration en demi-pont. Cet article explore la conception en demi-pont IGBT d'un côté haute tension (étage de sortie) du pilote de grille.

Les VE sont avant tout une question de puissance. Les gros blocs-batteries alimentent divers systèmes de conversion d'énergie via des tensions et des courants élevés, et le convertisseur DC-DC principal alimente les systèmes basse tension d'un véhicule. L'onduleur de traction fournit une puissance mécanique aux roues. Enfin, le système de charge de la batterie fournit de l'énergie à la batterie pour recommencer tout le processus. Chaque système convertit la puissance d'une forme à une autre.

La configuration en demi-pont

Au cœur de ces systèmes se trouve l'un des éléments constitutifs clés des systèmes de conversion d'énergie actuels :la configuration en demi-pont. Dans cette configuration, un interrupteur côté haut et un interrupteur côté bas basculent rapidement les connexions de la charge entre les rails positif et négatif haute tension. Le pilotage des grilles de ces interrupteurs est essentiel pour maximiser l'efficacité en les faisant se comporter, autant que possible, comme des interrupteurs idéaux. En comprenant comment le courant passe des pilotes de grille aux dispositifs de commutation, la puissance du pilote de grille peut être architecturée pour réaliser des dispositions de carte simplifiées, des coûts réduits et une réutilisation facile dans des conceptions futures.

Les systèmes EV font souvent référence aux rails positifs et négatifs haute tension sous le nom de DC Link+ et DC Link–. La figure 1 montre un circuit en demi-pont construit à partir de dispositifs IGBT et un autre construit à l'aide de FET en carbure de silicium (SiC). Pour allumer un IGBT, la tension de la grille à l'émetteur (VGE) doit dépasser un certain seuil.

Figure 1. Demi-ponts avec pilotes de grille isolés et dispositifs de commutation IGBT et dispositifs de commutation SiC FET

De même, dans le cas d'un FET SiC, cette tension apparaît de la grille à la source (VGS). Pour plus de simplicité, le reste de cet article fera référence à une conception en demi-pont IGBT ; cependant, les principes discutés s'appliquent également aux conceptions de FET SiC. La figure 1 montre également des pilotes de grille isolés. En raison des hautes tensions impliquées dans de nombreux systèmes EV, une isolation est souvent nécessaire pour séparer un contrôleur de système basse tension de l'étage d'alimentation haute tension. Des pilotes de grille isolés relient ces deux domaines, permettant au contrôleur système de contrôler les IGBT ou les FET SiC de l'étage de puissance. Encore une fois, par souci de simplicité, le reste de cet article ne se référera qu'au côté haute tension (étage de sortie) du pilote de grille.

Pour allumer un IGBT, le pilote de grille doit augmenter la tension de grille au moins jusqu'au seuil VGE, puis fournir suffisamment de courant pour charger la grille et allumer complètement l'IGBT. Pour le pilote de porte côté bas connecté à DC Link–, c'est assez simple. Comme le montre la figure 1, l'étage de sortie du pilote de grille est lié à la liaison CC - comme sa masse et le rail positif du « domaine d'alimentation 2 » pour le VDD de l'étage de sortie. Il tire ensuite la porte vers le VDD pour allumer le dispositif bas-côté. Cela fonctionne parce que VDD est référencé à DC Link–, qui est lié à l'émetteur de l'IGBT ; ainsi, un VGE positif est créé. Pour le conducteur de portail haut de gamme, les choses ne sont pas si simples.

Pour créer un VGE positif, la masse du pilote de grille côté haut doit être connectée à l'émetteur de l'IGBT côté haut. Sans cette connexion, le pilote de grille est essentiellement flottant par rapport à l'émetteur de l'IGBT côté haut, et il ne peut pas piloter la grille. Cela signifie également que le pilote de grille côté haut doit se trouver sur un domaine d'alimentation séparé. S'il est connecté au même domaine d'alimentation que le pilote de porte côté bas, l'émetteur de l'IGBT côté haut sera lié à la liaison CC et interrompra la configuration en demi-pont. Ainsi, l'architecture des domaines d'alimentation des pilotes de grille, en particulier dans les systèmes avec plusieurs circuits en demi-pont, a un impact considérable sur la complexité du système.

Topologies de convertisseur avec plusieurs configurations de demi-pont

De nombreuses topologies de convertisseurs complexes contiennent plus d'une configuration en demi-pont. Par exemple, les moteurs utilisés dans les transmissions des véhicules électriques sont généralement des moteurs triphasés où chaque phase est allumée et éteinte pour créer un mouvement. L'onduleur de traction utilise trois circuits en demi-pont pour alimenter chaque phase du moteur. Avec six dispositifs d'alimentation et pilotes de grille, une planification minutieuse de la distribution d'alimentation du pilote de grille a un impact majeur sur les performances. L'onduleur triphasé illustre également les compromis pour différentes configurations de distribution d'énergie, qui sont également pertinents pour d'autres systèmes n'utilisant qu'un ou deux circuits en demi-pont.

Dans un onduleur triphasé, tous les appareils côté bas partagent une connexion DC Link commune à leur émetteur ; ainsi, les pilotes de grille côté bas peuvent tous partager un domaine d'alimentation commun. Malheureusement, les pilotes de grille côté haut ont leurs émetteurs connectés aux différentes phases du système, donc trois domaines d'alimentation séparés sont nécessaires, comme le montre la figure 2.

Figure 2. Système triphasé avec un seul convertisseur DC-DC

La connexion des pilotes low-side à un seul domaine d'alimentation, puis l'utilisation d'un seul convertisseur DC-DC pour générer les quatre rails d'alimentation (également illustrés à la figure 2) est une solution courante à ce problème. Cependant, cette approche conduit souvent à des configurations de cartes complexes et à de longues traces de circuits imprimés, ce qui peut entraîner des problèmes d'interférences électromagnétiques dans les systèmes haute fréquence. Il est également difficile d'obtenir une régulation de tension stricte sur les quatre rails de sortie lors de l'utilisation d'un seul contrôleur DC-DC et, enfin, cela peut entraîner du bruit du couplage côté haut vers le côté bas via le transformateur partagé. Ceci est particulièrement problématique dans les conceptions SiC à haute fréquence. Une approche différente consiste à diviser le convertisseur DC-DC en plusieurs convertisseurs DC-DC indépendants.

La division du convertisseur DC-DC en plusieurs convertisseurs DC-DC indépendants simplifie généralement la disposition des circuits imprimés, réduit les longueurs de piste et offre une régulation propre à chaque rail de sortie. Il réduit également considérablement le bruit entre les domaines de puissance et permet aux systèmes basés sur SiC d'atteindre des fréquences de commutation élevées et une efficacité maximale. De plus, la conception indépendante du convertisseur CC-CC peut être réutilisée dans d'autres configurations en demi-pont avec moins de commutateurs, comme les systèmes en pont complet.

Intégrer les contrôleurs DC-DC dans les pilotes Gate

Plutôt que d'utiliser six convertisseurs CC-CC indépendants (un pour chaque pilote de grille isolé), le système est généralement divisé en quatre convertisseurs pour réduire les coûts. Comme le montre la figure 3, certains pilotes de grille, tels que le Silicon Labs Si828x, intègrent le contrôleur DC-DC pour réduire davantage les coûts et l'espace sur la carte et offrent le même pilote de grille avec et sans contrôleur DC-DC intégré. Dans de nombreux cas, cette configuration atteint le bon équilibre entre complexité, coût et performances.

Figure 3. Système triphasé utilisant des pilotes de grille avec contrôleurs DC-DC intégrés et quatre domaines d'alimentation indépendants

Les véhicules électriques et les systèmes de conversion d'énergie dont ils dépendent sont là pour rester. Au fur et à mesure que les demandes pour une efficacité plus élevée et une plus longue portée continuent de croître, les systèmes électriques seront poussés à atteindre des vitesses de commutation plus rapides, des topologies plus complexes et des tensions plus élevées. Les nouveaux dispositifs de commutation de puissance et les progrès de la technologie des pilotes de grille pousseront l'efficacité des circuits en demi-pont vers de nouveaux sommets. Cependant, même si le circuit en demi-pont évolue, l'architecture du domaine de puissance restera une considération de conception critique pour les années à venir.

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