Cet article présente une preuve de concept pour un nouveau système eFuse, qui atteint un temps de réponse de détection de court-circuit inférieur à 160 ns dans des conditions de test avec un courant de court-circuit de 650 A dans un système de 800 V.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les fusibles sont une solution bien connue et courante pour protéger les systèmes de machines électriques et sont relativement robustes contre les surintensités. Cependant, la précision et le temps de réponse des fusibles conventionnels peuvent ne pas être suffisants pour protéger les dispositifs semi-conducteurs de puissance à base de SiC et GaN utilisés dans les chargeurs embarqués contre les courants d’appel, tels que les courts-circuits qui se produisent en quelques microsecondes. Le système eFuse peut détecter précisément ces courants d’appel en quelques nanosecondes et couper le courant, en faisant un composant clé pour protéger le système dans les véhicules électriques (VE) de nouvelle génération.
Défis des fusibles thermiques
Il existe plusieurs défis à considérer pour protéger le système contre les surintensités.
- Les fusibles peuvent interrompre le courant en quelques dizaines de millisecondes, et le courant de fusion est imprécis.
- Un courant de type appel, tel qu’un court-circuit, peut endommager le dispositif avant que le fusible ne saute.
- Une fois que le fusible saute, le système ne peut pas reprendre une opération normale avant que le fusible ne soit remplacé.
Les systèmes de VE sont composés de composants relativement robustes contre les surintensités, y compris des dispositifs semi-conducteurs de puissance susceptibles d’être endommagés par des courants d’appel tels que des courts-circuits.
Les fusibles thermiques, qui sont encore largement utilisés aujourd’hui, interrompent la surintensité en faisant fondre un conducteur interne lorsque la surintensité se produit. Cependant, en raison de leur principe de fonctionnement, les fusibles à fusion nécessitent quelques millisecondes à plusieurs dizaines de millisecondes depuis l’apparition d’un courant d’appel pour couper le courant. Par conséquent, il est difficile de protéger les dispositifs semi-conducteurs de puissance contre les dommages causés par des courants d’appel se produisant en quelques microsecondes, tels que les courts-circuits. Il est nécessaire de considérer et de concevoir une marge pour protéger les composants autres que les dispositifs de puissance, car le courant de fusion est sujet à des variations et à une dépendance thermique.
Une fois qu’un fusible saute, le système ne peut pas revenir à une opération normale, de sorte que même les courants d’appel temporaires et rares, tels que la foudre ou les courants de court-circuit, ne permettront pas au système de recommencer à fonctionner tant que le fusible n’est pas remplacé. Un système de protection avec des interrupteurs à semi-conducteurs qui résout les défis des fusibles conventionnels est préférable pour la protection des VE de nouvelle génération.
La preuve de concept du système eFuse
Dans cette preuve de concept, Asahi Kasei a développé un système eFuse qui résout les problèmes des fusibles et offre :
- Détection rapide et précise des courants d’appel
- Réglage précis des seuils de coupure de courant et du temps de réponse pour couper
- Interruption et reprise du courant à l’aide d’interrupteurs à semi-conducteurs
Le système eFuse est conçu pour gérer différents modes de fonctionnement, c’est-à-dire le court-circuit et la surintensité, et génère des déclencheurs de coupure de courant dans trois circuits : détection de court-circuit, détection de dI/dt et protection contre les surintensités (Figure 1). Ces configurations de circuit permettent de meilleurs contrôles d’arrêt du courant pour différents modes de fonctionnement, résultant en un système de protection plus flexible que les fusibles.
La détection rapide et précise du courant est nécessaire pour protéger les dispositifs de puissance semi-conducteurs tels que le SiC et le GaN contre les dommages dus aux courants de court-circuit et autres causes. Ici, nous avons adopté le capteur de courant de la série CZ39xx de Asahi Kasei Microdevices (Figure 1), qui est idéal pour cette application. Sa bande passante de 4 MHz, son temps de réponse inférieur à 100 ns et son établissement rapide après le bruit de commutation le rendent adapté à cette application. De plus, grâce à la technologie des éléments Hall à semi-conducteurs composés III-V, il est robuste contre un champ magnétique fort de plus de plusieurs centaines de milli-Tesla.
Figure 1. Schéma du système eFuse incluant le capteur de courant de la série CZ39xx. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Ces circuits employant le capteur de courant de la série CZ39xx, les circuits périphériques incluant les logiques de contrôle, et les interrupteurs à semi-conducteurs composés de dispositifs de puissance SiC sont montés sur une seule carte PCB compacte. Cela a permis de créer un eFuse, un dispositif de protection réinitialisable qui ne nécessite pas le remplacement de composants et possède des caractéristiques de coupure correspondant aux causes des courants anormaux, tels que les courts-circuits ou les surintensités.
Résultat de la preuve de concept
La Figure 2a montre une carte de la preuve de concept du système eFuse. Le FET SiC est adopté pour les dispositifs de commutation, et le circuit est conçu pour une isolation renforcée de 800 V et un courant de court-circuit allant jusqu’à 1 kA. La Figure 2b montre une courbe caractéristique du système eFuse. Les résultats de mesure du temps de réponse depuis que le courant dépasse le seuil jusqu’à l’apparition du déclencheur de détection sont tracés en rouge, et le temps de réponse jusqu’à ce que le courant soit coupé à 0 A est tracé en bleu. Le système eFuse atteint un temps de réponse de moins de 250 ns pour un courant d’appel de plus de 80 A en mode court-circuit. En revanche, le temps de réponse pour une surintensité de moins de 80 A est conçu pour être plus lent que le temps de réponse pour la détection de courant d’appel, afin d’éviter une coupure inutile.
Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 2. (a) Carte de preuve de concept du système eFuse et (b) courbe caractéristique du système eFuse. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 3 montre le résultat de la mesure de détection de courant de court-circuit. En se concentrant sur la forme d’onde de la tension de sortie du capteur de courant, le temps de réponse entre le point de déclenchement de la détection de surintensité et la génération du déclencheur de coupure de courant est inférieur à 160 ns. En conséquence, le système eFuse atteint une détection et une interruption du courant plus rapides qu’il n’était possible avec les fusibles thermiques conventionnels.
Figure 3. Mesure de protection contre les courts-circuits. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Résolution des défis des fusibles conventionnels
Cette nouvelle preuve de concept réalise un nouveau système eFuse, qui résout les défis des systèmes de protection uniquement par fusibles thermiques. Avec une solution de détection de courant rapide et précise, le système eFuse peut fournir la protection contre les surintensités nécessaire aux systèmes de VE de nouvelle génération. De plus, le capteur de courant utilisé dans l’eFuse non seulement soutient sa fonction, mais peut également contrôler le courant dans les sous-systèmes connectés tels que les convertisseurs DC/DC ou OBC.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est co-écrit par Thomas Langbauer, Chef de l’équipe Architectures et Topologies, Silicon Austria Labs; Thomas Feibel, Ingénieur de Recherche Sénior, Silicon Austria Labs; Zhen Huang, Scientifique Junior, Silicon Austria Labs; Ichiro Okada, Expert en Chef Produits Capteurs Magnétiques, Asahi Kasei Microdevices; et Takahisa Shikama, Responsable, Ingénieur d’Application Terrain, Asahi Kasei Microdevices Europe.