{"id":858,"date":"2026-08-07T03:45:39","date_gmt":"2026-08-07T03:45:39","guid":{"rendered":"https:\/\/vasozk.com\/?p=858"},"modified":"2026-08-07T03:48:59","modified_gmt":"2026-08-07T03:48:59","slug":"accurately-measuring-switching-losses-in-sic-gan-power-devices","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/accurately-measuring-switching-losses-in-sic-gan-power-devices\/","title":{"rendered":"Mesure pr\u00e9cise des pertes de commutation dans les dispositifs de puissance SiC\/GaN"},"content":{"rendered":"

Les semi-conducteurs \u00e0 large bande interdite ont red\u00e9fini 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, \u00e0 des tensions et temp\u00e9ratures de jonction plus \u00e9lev\u00e9es. Cette rapidit\u00e9 les rend particuli\u00e8rement int\u00e9ressants pour les onduleurs de traction de v\u00e9hicules \u00e9lectriques, les chargeurs embarqu\u00e9s, les alimentations de serveurs et les onduleurs de cha\u00eenes solaires\u00a0: composants magn\u00e9tiques plus petits, rendement accru et densit\u00e9 de puissance sup\u00e9rieure. C\u2019est \u00e9galement cette m\u00eame rapidit\u00e9 qui rend leurs pertes de commutation extr\u00eamement difficiles \u00e0 mesurer avec pr\u00e9cision.<\/p>\n\n\n\n

Les ing\u00e9nieurs en puissance qui tentent de caract\u00e9riser un demi-pont en SiC sur banc d'essai constatent rapidement que les techniques de mesure parfaitement adapt\u00e9es \u00e0 un IGBT en silicium de 600 V produisent des r\u00e9sultats incoh\u00e9rents d\u00e8s que les vitesses de transition d\u00e9passent 50 V\/ns et que les vitesses de balayage du courant exc\u00e8dent 1 \u00e0 2 A\/ns. L'instrumentation, et non plus seulement le composant test\u00e9, devient alors le facteur limitant. Parmi les deux canaux alimentant le calcul des pertes, c'est le courant qui pr\u00e9sente la premi\u00e8re limitation. Une sonde de courant AC\/DC \u00e0 large bande, capable de d\u00e9tecter une transition ultrarapide \u00e0 l'\u00e9chelle de la nanoseconde sans perdre le courant de polarisation DC sous-jacent, est essentielle pour garantir la fiabilit\u00e9 du reste de la cha\u00eene de mesure.<\/p>\n\n\n\n

Pourquoi le passage \u00e0 une mesure de perte plus complexe avec les appareils WBG<\/h2>\n\n\n\n

Les pertes par commutation sont calcul\u00e9es en int\u00e9grant la puissance instantan\u00e9e \u2014 produit de la tension drain-source (ou collecteur-\u00e9metteur) et du courant de drain (ou de collecteur) \u2014 sur les intervalles de transition \u00e0 l'ouverture et \u00e0 la fermeture. En th\u00e9orie, ce calcul est simple. En pratique, la pr\u00e9cision de cette int\u00e9grale d\u00e9pend enti\u00e8rement de la fid\u00e9lit\u00e9 de l'acquisition des formes d'onde de la tension et du courant, et trois probl\u00e8mes se cumulent, notamment avec les dispositifs \u00e0 large bande interdite.<\/p>\n\n\n\n

Bande passante et temps de mont\u00e9e.<\/strong> Un MOSFET en SiC s'activant en 15 \u00e0 20 ns pr\u00e9sente un spectre d'\u00e9mission de plusieurs centaines de m\u00e9gahertz. Une sonde de courant d'une bande passante de 50 ou 100 MHz \u2014 parfaitement adapt\u00e9e \u00e0 la commutation d'un IGBT en silicium en 200 \u00e0 300 ns \u2014 arrondira le front de mont\u00e9e de la transition, sous-estimera le courant de cr\u00eate et d\u00e9calera la dur\u00e9e apparente de la commutation par rapport \u00e0 la forme d'onde de la tension. Chacune de ces erreurs affecte directement l'int\u00e9grale d'\u00e9nergie.<\/p>\n\n\n\n

Alignement de phase et de synchronisation.<\/strong> Du fait de la tr\u00e8s courte dur\u00e9e de commutation, m\u00eame un d\u00e9calage de quelques nanosecondes entre les canaux de tension et de courant induit une erreur disproportionn\u00e9e dans le calcul des valeurs Eon et Eoff. Un d\u00e9calage temporel de 5 ns, n\u00e9gligeable pour une transition de 300 ns dans le silicium, peut entra\u00eener une variation de 20 % ou plus de la perte calcul\u00e9e pour une transition de 15 ns dans le SiC. Les diff\u00e9rences de temps de propagation entre les sondes, souvent ignor\u00e9es dans les configurations de test de l'\u00e8re du silicium, sont ici cruciales.<\/p>\n\n\n\n

Imp\u00e9dance d'insertion et \u00e9l\u00e9ments parasites de boucle.<\/strong> Toute sonde de courant introduit une imp\u00e9dance s\u00e9rie et une inductance de boucle dans le circuit de mesure. Aux niveaux de di\/dt produits par les dispositifs \u00e0 large bande interdite (WBG), m\u00eame quelques nanohenrys d'inductance ajout\u00e9e g\u00e9n\u00e8rent des oscillations et des surtensions mesurables, qui ne font pas partie du comportement de commutation natif du dispositif. La sonde devient alors partie int\u00e9grante du circuit test\u00e9, au lieu d'en \u00eatre un simple observateur passif. C'est pr\u00e9cis\u00e9ment pourquoi, pour les dispositifs WBG, il est essentiel d'\u00e9valuer la construction physique de la sonde de courant, et pas seulement sa bande passante.<\/p>\n\n\n\n

Pourquoi le sonde de courant AC\/DC<\/a> est le facteur d\u00e9cisif<\/h2>\n\n\n\n

Des deux signaux n\u00e9cessaires au calcul des pertes de commutation, le courant est de loin le plus difficile \u00e0 mesurer avec pr\u00e9cision. Le choix de la sonde de courant est g\u00e9n\u00e9ralement ce qui distingue une valeur Eon\/Eoff fiable d'une valeur plausible mais erron\u00e9e. La tension peut \u00eatre mesur\u00e9e \u00e0 l'aide d'une sonde diff\u00e9rentielle haute tension bien compens\u00e9e, plac\u00e9e pr\u00e8s des bornes du composant et avec une surface de boucle minimale\u00a0; il s'agit d'une m\u00e9thode de mesure relativement \u00e9prouv\u00e9e et tol\u00e9rante. La mesure du courant doit prendre en compte simultan\u00e9ment la bande passante de la sonde, l'imp\u00e9dance d'insertion, le comportement de saturation du noyau et, pour les composants pr\u00e9sentant un courant de polarisation continu important superpos\u00e9 au transitoire de commutation, la capacit\u00e9 \u00e0 r\u00e9soudre un front de tension alternatif rapide superpos\u00e9 \u00e0 un d\u00e9calage continu important sans distorsion.<\/p>\n\n\n\n

C\u2019est sur ce dernier point qu\u2019une sonde de courant AC\/DC d\u00e9di\u00e9e trouve toute sa place, et qu\u2019une sonde con\u00e7ue pour un seul r\u00e9gime s\u2019av\u00e8re insuffisante. Un test \u00e0 double impulsion sur un composant SiC ou GaN implique g\u00e9n\u00e9ralement des courants d\u2019inductance de l\u2019ordre de plusieurs dizaines d\u2019amp\u00e8res, la transition de commutation se produisant en quelques nanosecondes. Une sonde \u00e0 transformateur de courant fonctionnant uniquement en AC ne peut absolument pas mesurer la composante DC en r\u00e9gime permanent, car un transformateur de courant n\u2019a aucune r\u00e9ponse \u00e0 fr\u00e9quence nulle\u00a0; elle affichera le front de tension, mais perdra la ligne de base \u00e0 partir de laquelle elle commute. Une sonde \u00e0 effet Hall fonctionnant uniquement en DC, quant \u00e0 elle, manque g\u00e9n\u00e9ralement de bande passante pour suivre un front de 15 \u00e0 20\u00a0ns sans l\u2019arrondir. Utilis\u00e9es seules, aucune de ces sondes ne produit une forme d\u2019onde repr\u00e9sentative du comportement r\u00e9el du composant.<\/p>\n\n\n\n

Une sonde de courant AC\/DC r\u00e9sout ce probl\u00e8me en combinant deux \u00e9l\u00e9ments de d\u00e9tection sur un seul chemin de mesure\u00a0: un capteur \u00e0 effet Hall assurant une r\u00e9ponse pr\u00e9cise du courant continu jusqu'aux basses fr\u00e9quences, et un transformateur de courant ou un circuit shunt g\u00e9rant la composante haute fr\u00e9quence rapide du front de commutation. Les deux signaux sont ensuite recombin\u00e9s en interne en une sortie continue unique. Correctement mise en \u0153uvre, cette m\u00e9thode produit une forme d'onde plate sur toute la gamme de fr\u00e9quences pertinente pour une commutation de diode \u00e0 large bande interdite (WBG)\u00a0: pr\u00e9cise au niveau de polarisation continu de l'inductance, et pr\u00e9cise pendant le transitoire nanoseconde qui s'y superpose. C'est cette r\u00e9ponse combin\u00e9e qui conf\u00e8re un sens \u00e0 l'int\u00e9grale de puissance v(t)\u00d7i(t) r\u00e9sultante \u2013 et donc aux valeurs Eon\/Eoff qui en d\u00e9coulent \u2013 \u200b\u200bet non un artefact d\u00fb \u00e0 la capture partielle de la forme d'onde par la sonde.<\/p>\n\n\n\n

Du fait de sa double fonction de d\u00e9tection, toutes les sondes de courant AC\/DC du march\u00e9 ne sont pas adapt\u00e9es aux applications WBG. Certaines sp\u00e9cifications sont plus importantes que la bande passante indiqu\u00e9e sur une fiche technique\u00a0:<\/p>\n\n\n\n

    \n
  • Temps de mont\u00e9e relatif au dispositif test\u00e9.<\/strong> En r\u00e8gle g\u00e9n\u00e9rale, le temps de mont\u00e9e de la sonde doit \u00eatre au moins trois \u00e0 cinq fois plus rapide que le front le plus rapide mesur\u00e9, afin que la r\u00e9ponse propre de la sonde ne domine pas la transition enregistr\u00e9e.<\/li>\n\n\n\n
  • D\u00e9lai de propagation et correspondance des d\u00e9lais.<\/strong> Les fabricants publient g\u00e9n\u00e9ralement une valeur fixe de d\u00e9lai de propagation\u00a0; celle-ci doit \u00eatre connue et compens\u00e9e, et non consid\u00e9r\u00e9e comme n\u00e9gligeable.<\/li>\n\n\n\n
  • Faible imp\u00e9dance d'insertion.<\/strong> Les sondes \u00e0 pince \u00e0 noyau divis\u00e9, avec une petite ouverture et une courte longueur de trajet de courant, minimisent l'inductance de boucle ajout\u00e9e dans la boucle de commutation.<\/li>\n\n\n\n
  • Gestion du courant de d\u00e9calage CC.<\/strong> La sonde doit avoir une plage dynamique suffisante pour capturer la totalit\u00e9 du courant de polarisation continu sans saturer le noyau pendant le pic du transitoire de commutation, o\u00f9 le courant peut atteindre des niveaux bien sup\u00e9rieurs aux niveaux en r\u00e9gime permanent.<\/li>\n\n\n\n
  • Une transition nette entre le chemin CC\/basse fr\u00e9quence et le chemin CA.<\/strong> Il s'agit d'une sp\u00e9cification propre aux sondes de courant AC\/DC et pourtant souvent n\u00e9glig\u00e9e. Si la transition entre les \u00e9tages \u00e0 effet Hall et de transformation de courant n'est pas correctement appari\u00e9e en gain et en phase, la forme d'onde recombin\u00e9e pr\u00e9sente une bosse, un creux ou un d\u00e9faut de synchronisation au voisinage de la fr\u00e9quence de coupure, souvent pr\u00e9cis\u00e9ment dans la plage de fr\u00e9quences o\u00f9 l'\u00e9nergie du front de commutation est concentr\u00e9e.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Un flux de travail de mesure pratique<\/h2>\n\n\n\n

    La caract\u00e9risation des pertes de commutation des dispositifs SiC et GaN est g\u00e9n\u00e9ralement r\u00e9alis\u00e9e par le test \u00e0 double impulsion (DPT), qui isole un \u00e9v\u00e9nement unique d'activation et de d\u00e9sactivation sous des conditions de courant et de tension contr\u00f4l\u00e9es, sans l'\u00e9chauffement li\u00e9 \u00e0 une commutation continue. L'obtention de valeurs fiables de Eon\/Eoff \u00e0 partir d'un dispositif DPT suit g\u00e9n\u00e9ralement une s\u00e9quence constante\u00a0:<\/p>\n\n\n\n

    1. Redressez les canaux de tension et de courant avant toute prise de donn\u00e9es.<\/strong> On proc\u00e8de en appliquant simultan\u00e9ment un signal connu (souvent un front montant d'un g\u00e9n\u00e9rateur d'impulsions) aux sondes de courant et de tension \u00e0 l'aide d'un dispositif de correction de polarisation, puis en appliquant un d\u00e9calage temporel \u00e0 l'oscilloscope jusqu'\u00e0 ce que les deux fronts soient align\u00e9s. Omettre cette \u00e9tape est la principale cause d'erreurs dans les mesures de pertes de commutation lors des tests de diodes \u00e0 large bande interdite (WBG).<\/p>\n\n\n\n

    2. Positionnez la sonde de courant dans la boucle de commutation avec une surface de boucle ajout\u00e9e minimale.<\/strong> La sonde doit \u00eatre plac\u00e9e aussi pr\u00e8s que possible du dispositif test\u00e9, id\u00e9alement au niveau de la source ou du drain plut\u00f4t que plus loin sur le circuit imprim\u00e9, afin d'\u00e9viter de capturer des oscillations inductives parasites qui ne sont pas repr\u00e9sentatives du comportement de commutation intrins\u00e8que du dispositif.<\/p>\n\n\n\n

    3. V\u00e9rifiez la bande passante de la sonde par rapport aux taux de front observ\u00e9s et non \u00e0 ceux suppos\u00e9s.<\/strong> Il est important de capturer une transition d'allumage et de v\u00e9rifier les valeurs mesur\u00e9es de dV\/dt et dI\/dt par rapport \u00e0 la bande passante sp\u00e9cifi\u00e9e de la sonde avant de se fier aux chiffres d'\u00e9nergie obtenus \u2014 les variations d'un dispositif \u00e0 l'autre et d'un pilote de grille \u00e0 l'autre peuvent faire grimper les taux de transition plus haut que pr\u00e9vu.<\/p>\n\n\n\n

    4. Int\u00e9grer la puissance sur une fen\u00eatre d\u00e9finie de mani\u00e8re coh\u00e9rente.<\/strong> Les pertes Eon et Eoff sont g\u00e9n\u00e9ralement d\u00e9finies comme l'int\u00e9grale de v(t)\u00d7i(t) depuis le moment o\u00f9 la tension ou le courant s'\u00e9carte de sa valeur d'\u00e9tat stationnaire jusqu'au moment o\u00f9 ils se stabilisent \u00e0 un pourcentage d\u00e9fini de leur valeur finale. L'utilisation d'une fen\u00eatre de mesure coh\u00e9rente et document\u00e9e est essentielle pour comparer les pertes entre diff\u00e9rents dispositifs, r\u00e9sistances de grille ou temp\u00e9ratures.<\/p>\n\n\n\n

    5. R\u00e9p\u00e9tez l'op\u00e9ration sur toute la zone de fonctionnement.<\/strong> \u00c9tant donn\u00e9 que les pertes par commutation des dispositifs WBG d\u00e9pendent fortement du courant, de la tension de bus, de la r\u00e9sistance de grille et de la temp\u00e9rature de jonction, une seule mesure effectu\u00e9e dans des conditions de fonctionnement donn\u00e9es ne permet pas de pr\u00e9dire avec pr\u00e9cision le comportement du dispositif sur toute la plage de fonctionnement requise par l'application. Pour obtenir un mod\u00e8le d'efficacit\u00e9 r\u00e9aliste, il est n\u00e9cessaire de tracer les courbes de pertes en fonction du courant et de la tension \u00e0 diff\u00e9rentes temp\u00e9ratures.<\/p>\n\n\n\n

    Les choix en mati\u00e8re d'instrumentation se r\u00e9percutent sur la conception.<\/h2>\n\n\n\n

    L'analyse des pertes de commutation issues des caract\u00e9risations en laboratoire permet d'orienter la conception thermique, le dimensionnement du dissipateur et la d\u00e9finition des objectifs d'efficacit\u00e9 du syst\u00e8me final. Une valeur Eoff sous-estim\u00e9e, due \u00e0 une sonde de courant \u00e0 bande passante insuffisante, peut conduire \u00e0 un dissipateur sous-dimensionn\u00e9 et \u00e0 un probl\u00e8me de marge thermique qui ne se manifeste qu'une fois le produit en service. \u00c0 l'inverse, des artefacts de mesure li\u00e9s \u00e0 une inductance d'insertion excessive de la sonde peuvent fausser les performances r\u00e9elles d'un dispositif, induisant des d\u00e9cisions thermiques et de d\u00e9classement trop conservatrices et donc plus co\u00fbteuses.<\/p>\n\n\n\n

    \u00c9tant donn\u00e9 l'impact direct de ces valeurs sur les d\u00e9cisions de conception en aval, la sonde de courant utilis\u00e9e pour la caract\u00e9risation des pertes de commutation m\u00e9rite au moins autant d'attention que les composants de puissance eux-m\u00eames. Dans le cas sp\u00e9cifique des semi-conducteurs \u00e0 large bande interdite (WBG), cela implique l'utilisation d'une sonde de courant AC\/DC plut\u00f4t que d'une sonde fonctionnant uniquement en AC ou en DC. Il s'agit du seul instrument de test plac\u00e9 directement sur le chemin de commutation, capable de mesurer \u00e0 la fois le courant en r\u00e9gime permanent \u00e0 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'imp\u00e9dance d'insertion, la plage dynamique en DC et la qualit\u00e9 du filtre de croisement ne sont pas des sp\u00e9cifications secondaires pour cette application\u00a0; collectivement, elles d\u00e9terminent si les valeurs Eon\/Eoff obtenues refl\u00e8tent les performances du dispositif test\u00e9 ou les limitations de la sonde de mesure. Le choix d'un instrument pr\u00e9cis est, concr\u00e8tement, ce qui garantit la fiabilit\u00e9 de tous les calculs d'efficacit\u00e9 et thermiques effectu\u00e9s en aval.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Wide-bandgap semiconductors have reset the performance envelope for power conversion. Silicon carbide (SiC) MOSFETs and gallium nitride (GaN) HEMTs switch in tens of nanoseconds rather than the hundreds of nanoseconds typical of silicon IGBTs, and they do so at higher voltages and junction temperatures. That speed is precisely what makes them attractive for EV traction […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":859,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_joinchat":[],"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"class_list":["post-858","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-uncategorized"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=858"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":862,"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858\/revisions\/862"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media\/859"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=858"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=858"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=858"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}