Les semi-conducteurs à large bande interdite ont redéfini les performances de la conversion de puissance. Les MOSFET en carbure de silicium (SiC) et les HEMT en nitrure de gallium (GaN) commutent en quelques dizaines de nanosecondes, contre plusieurs centaines de nanosecondes pour les IGBT en silicium, et ce, à des tensions et températures de jonction plus élevées. Cette rapidité les rend particulièrement intéressants pour les onduleurs de traction de véhicules électriques, les chargeurs embarqués, les alimentations de serveurs et les onduleurs de chaînes solaires : composants magnétiques plus petits, rendement accru et densité de puissance supérieure. C’est également cette même rapidité qui rend leurs pertes de commutation extrêmement difficiles à mesurer avec précision.
Les ingénieurs en puissance qui tentent de caractériser un demi-pont en SiC sur banc d'essai constatent rapidement que les techniques de mesure parfaitement adaptées à un IGBT en silicium de 600 V produisent des résultats incohérents dès que les vitesses de transition dépassent 50 V/ns et que les vitesses de balayage du courant excèdent 1 à 2 A/ns. L'instrumentation, et non plus seulement le composant testé, devient alors le facteur limitant. Parmi les deux canaux alimentant le calcul des pertes, c'est le courant qui présente la première limitation. Une sonde de courant AC/DC à large bande, capable de détecter une transition ultrarapide à l'échelle de la nanoseconde sans perdre le courant de polarisation DC sous-jacent, est essentielle pour garantir la fiabilité du reste de la chaîne de mesure.
Pourquoi le passage à une mesure de perte plus complexe avec les appareils WBG
Les pertes par commutation sont calculées en intégrant la puissance instantanée — produit de la tension drain-source (ou collecteur-émetteur) et du courant de drain (ou de collecteur) — sur les intervalles de transition à l'ouverture et à la fermeture. En théorie, ce calcul est simple. En pratique, la précision de cette intégrale dépend entièrement de la fidélité de l'acquisition des formes d'onde de la tension et du courant, et trois problèmes se cumulent, notamment avec les dispositifs à large bande interdite.
Bande passante et temps de montée. Un MOSFET en SiC s'activant en 15 à 20 ns présente un spectre d'émission de plusieurs centaines de mégahertz. Une sonde de courant d'une bande passante de 50 ou 100 MHz — parfaitement adaptée à la commutation d'un IGBT en silicium en 200 à 300 ns — arrondira le front de montée de la transition, sous-estimera le courant de crête et décalera la durée apparente de la commutation par rapport à la forme d'onde de la tension. Chacune de ces erreurs affecte directement l'intégrale d'énergie.
Alignement de phase et de synchronisation. Du fait de la très courte durée de commutation, même un décalage de quelques nanosecondes entre les canaux de tension et de courant induit une erreur disproportionnée dans le calcul des valeurs Eon et Eoff. Un décalage temporel de 5 ns, négligeable pour une transition de 300 ns dans le silicium, peut entraîner une variation de 20 % ou plus de la perte calculée pour une transition de 15 ns dans le SiC. Les différences de temps de propagation entre les sondes, souvent ignorées dans les configurations de test de l'ère du silicium, sont ici cruciales.
Impédance d'insertion et éléments parasites de boucle. Toute sonde de courant introduit une impédance série et une inductance de boucle dans le circuit de mesure. Aux niveaux de di/dt produits par les dispositifs à large bande interdite (WBG), même quelques nanohenrys d'inductance ajoutée génèrent des oscillations et des surtensions mesurables, qui ne font pas partie du comportement de commutation natif du dispositif. La sonde devient alors partie intégrante du circuit testé, au lieu d'en être un simple observateur passif. C'est précisément pourquoi, pour les dispositifs WBG, il est essentiel d'évaluer la construction physique de la sonde de courant, et pas seulement sa bande passante.
Pourquoi le sonde de courant AC/DC est le facteur décisif
Des deux signaux nécessaires au calcul des pertes de commutation, le courant est de loin le plus difficile à mesurer avec précision. Le choix de la sonde de courant est généralement ce qui distingue une valeur Eon/Eoff fiable d'une valeur plausible mais erronée. La tension peut être mesurée à l'aide d'une sonde différentielle haute tension bien compensée, placée près des bornes du composant et avec une surface de boucle minimale ; il s'agit d'une méthode de mesure relativement éprouvée et tolérante. La mesure du courant doit prendre en compte simultanément la bande passante de la sonde, l'impédance d'insertion, le comportement de saturation du noyau et, pour les composants présentant un courant de polarisation continu important superposé au transitoire de commutation, la capacité à résoudre un front de tension alternatif rapide superposé à un décalage continu important sans distorsion.
C’est sur ce dernier point qu’une sonde de courant AC/DC dédiée trouve toute sa place, et qu’une sonde conçue pour un seul régime s’avère insuffisante. Un test à double impulsion sur un composant SiC ou GaN implique généralement des courants d’inductance de l’ordre de plusieurs dizaines d’ampères, la transition de commutation se produisant en quelques nanosecondes. Une sonde à transformateur de courant fonctionnant uniquement en AC ne peut absolument pas mesurer la composante DC en régime permanent, car un transformateur de courant n’a aucune réponse à fréquence nulle ; elle affichera le front de tension, mais perdra la ligne de base à partir de laquelle elle commute. Une sonde à effet Hall fonctionnant uniquement en DC, quant à elle, manque généralement de bande passante pour suivre un front de 15 à 20 ns sans l’arrondir. Utilisées seules, aucune de ces sondes ne produit une forme d’onde représentative du comportement réel du composant.
Une sonde de courant AC/DC résout ce problème en combinant deux éléments de détection sur un seul chemin de mesure : un capteur à effet Hall assurant une réponse précise du courant continu jusqu'aux basses fréquences, et un transformateur de courant ou un circuit shunt gérant la composante haute fréquence rapide du front de commutation. Les deux signaux sont ensuite recombinés en interne en une sortie continue unique. Correctement mise en œuvre, cette méthode produit une forme d'onde plate sur toute la gamme de fréquences pertinente pour une commutation de diode à large bande interdite (WBG) : précise au niveau de polarisation continu de l'inductance, et précise pendant le transitoire nanoseconde qui s'y superpose. C'est cette réponse combinée qui confère un sens à l'intégrale de puissance v(t)×i(t) résultante – et donc aux valeurs Eon/Eoff qui en découlent – et non un artefact dû à la capture partielle de la forme d'onde par la sonde.
Du fait de sa double fonction de détection, toutes les sondes de courant AC/DC du marché ne sont pas adaptées aux applications WBG. Certaines spécifications sont plus importantes que la bande passante indiquée sur une fiche technique :
- Temps de montée relatif au dispositif testé. En règle générale, le temps de montée de la sonde doit être au moins trois à cinq fois plus rapide que le front le plus rapide mesuré, afin que la réponse propre de la sonde ne domine pas la transition enregistrée.
- Délai de propagation et correspondance des délais. Les fabricants publient généralement une valeur fixe de délai de propagation ; celle-ci doit être connue et compensée, et non considérée comme négligeable.
- Faible impédance d'insertion. Les sondes à pince à noyau divisé, avec une petite ouverture et une courte longueur de trajet de courant, minimisent l'inductance de boucle ajoutée dans la boucle de commutation.
- Gestion du courant de décalage CC. La sonde doit avoir une plage dynamique suffisante pour capturer la totalité du courant de polarisation continu sans saturer le noyau pendant le pic du transitoire de commutation, où le courant peut atteindre des niveaux bien supérieurs aux niveaux en régime permanent.
- Une transition nette entre le chemin CC/basse fréquence et le chemin CA. Il s'agit d'une spécification propre aux sondes de courant AC/DC et pourtant souvent négligée. Si la transition entre les étages à effet Hall et de transformation de courant n'est pas correctement appariée en gain et en phase, la forme d'onde recombinée présente une bosse, un creux ou un défaut de synchronisation au voisinage de la fréquence de coupure, souvent précisément dans la plage de fréquences où l'énergie du front de commutation est concentrée.
Un flux de travail de mesure pratique
La caractérisation des pertes de commutation des dispositifs SiC et GaN est généralement réalisée par le test à double impulsion (DPT), qui isole un événement unique d'activation et de désactivation sous des conditions de courant et de tension contrôlées, sans l'échauffement lié à une commutation continue. L'obtention de valeurs fiables de Eon/Eoff à partir d'un dispositif DPT suit généralement une séquence constante :
1. Redressez les canaux de tension et de courant avant toute prise de données. On procède en appliquant simultanément un signal connu (souvent un front montant d'un générateur d'impulsions) aux sondes de courant et de tension à l'aide d'un dispositif de correction de polarisation, puis en appliquant un décalage temporel à l'oscilloscope jusqu'à ce que les deux fronts soient alignés. Omettre cette étape est la principale cause d'erreurs dans les mesures de pertes de commutation lors des tests de diodes à large bande interdite (WBG).
2. Positionnez la sonde de courant dans la boucle de commutation avec une surface de boucle ajoutée minimale. La sonde doit être placée aussi près que possible du dispositif testé, idéalement au niveau de la source ou du drain plutôt que plus loin sur le circuit imprimé, afin d'éviter de capturer des oscillations inductives parasites qui ne sont pas représentatives du comportement de commutation intrinsèque du dispositif.
3. Vérifiez la bande passante de la sonde par rapport aux taux de front observés et non à ceux supposés. Il est important de capturer une transition d'allumage et de vérifier les valeurs mesurées de dV/dt et dI/dt par rapport à la bande passante spécifiée de la sonde avant de se fier aux chiffres d'énergie obtenus — les variations d'un dispositif à l'autre et d'un pilote de grille à l'autre peuvent faire grimper les taux de transition plus haut que prévu.
4. Intégrer la puissance sur une fenêtre définie de manière cohérente. Les pertes Eon et Eoff sont généralement définies comme l'intégrale de v(t)×i(t) depuis le moment où la tension ou le courant s'écarte de sa valeur d'état stationnaire jusqu'au moment où ils se stabilisent à un pourcentage défini de leur valeur finale. L'utilisation d'une fenêtre de mesure cohérente et documentée est essentielle pour comparer les pertes entre différents dispositifs, résistances de grille ou températures.
5. Répétez l'opération sur toute la zone de fonctionnement. Étant donné que les pertes par commutation des dispositifs WBG dépendent fortement du courant, de la tension de bus, de la résistance de grille et de la température de jonction, une seule mesure effectuée dans des conditions de fonctionnement données ne permet pas de prédire avec précision le comportement du dispositif sur toute la plage de fonctionnement requise par l'application. Pour obtenir un modèle d'efficacité réaliste, il est nécessaire de tracer les courbes de pertes en fonction du courant et de la tension à différentes températures.
Les choix en matière d'instrumentation se répercutent sur la conception.
L'analyse des pertes de commutation issues des caractérisations en laboratoire permet d'orienter la conception thermique, le dimensionnement du dissipateur et la définition des objectifs d'efficacité du système final. Une valeur Eoff sous-estimée, due à une sonde de courant à bande passante insuffisante, peut conduire à un dissipateur sous-dimensionné et à un problème de marge thermique qui ne se manifeste qu'une fois le produit en service. À l'inverse, des artefacts de mesure liés à une inductance d'insertion excessive de la sonde peuvent fausser les performances réelles d'un dispositif, induisant des décisions thermiques et de déclassement trop conservatrices et donc plus coûteuses.
Étant donné l'impact direct de ces valeurs sur les décisions de conception en aval, la sonde de courant utilisée pour la caractérisation des pertes de commutation mérite au moins autant d'attention que les composants de puissance eux-mêmes. Dans le cas spécifique des semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), cela implique l'utilisation d'une sonde de courant AC/DC plutôt que d'une sonde fonctionnant uniquement en AC ou en DC. Il s'agit du seul instrument de test placé directement sur le chemin de commutation, capable de mesurer à la fois le courant en régime permanent à partir duquel le dispositif commute et le courant transitoire (de l'ordre de la nanoseconde) qu'il traverse, sans introduire de distorsion. La bande passante, le temps de propagation, l'impédance d'insertion, la plage dynamique en DC et la qualité du filtre de croisement ne sont pas des spécifications secondaires pour cette application ; collectivement, elles déterminent si les valeurs Eon/Eoff obtenues reflètent les performances du dispositif testé ou les limitations de la sonde de mesure. Le choix d'un instrument précis est, concrètement, ce qui garantit la fiabilité de tous les calculs d'efficacité et thermiques effectués en aval.