Les pics et surtensions transitoires ont différents degrés d'impact sur les circuits électroniques, allant de défauts mineurs gênants aux conséquences catastrophiques qui endommagent les composants du circuit. Les causes de ces transitoires sont diverses, notamment la foudre, l'électricité statique et les décharges induites (Figure 1).
Figure 1. Les transitoires peuvent être provoqués par la foudre, l'électricité statique ou des décharges induites, etc., qui peuvent causer de graves dommages aux équipements électroniques non protégés. Source de l'image : LitInc.)
De tels transitoires peuvent produire des impulsions avec des tensions de crête allant de centaines de volts à des dizaines de milliers de volts et des courants allant jusqu'à des kiloampères, d'une durée de centaines de nanosecondes à millisecondes.
La miniaturisation du circuit intégré et du processeur ainsi que la réduction de la tension d'alimentation les rendent plus sensibles aux phénomènes électriques transitoires. Cela est particulièrement vrai pour les véhicules contrôlés par plusieurs systèmes électroniques, notamment le moteur, la direction, le freinage, la climatisation et le divertissement.
Pour protéger les circuits sensibles, diverses stratégies de conception ont été développées, notamment un câblage blindé, des filtres, une suppression d'arc et des dispositifs de serrage. Le blindage et le filtrage sont passifs, tandis que la suppression d'arc et la protection contre les pinces sont actives. Les dispositifs de suppression d'arc tels que les éclateurs, les tubes à décharge à gaz et les thyristors dérivent les courants transitoires vers la terre pour protéger le circuit. Lorsque le dispositif de suppression d'arc est actif, l'équipement protégé ne fonctionne pas, mais une fois le transitoire disparu, l'équipement peut fonctionner normalement.
Les dispositifs de serrage comprennent une varistance à oxyde métallique (MOV), une diode Zener et des diodes à avalanche de suppression de tension transitoire (TVS) qui maintiennent une tension constante aux bornes de l'équipement protégé en faisant varier l'impédance. Ces technologies peuvent être utilisées séparément ou simultanément. La diode TVS est largement utilisée comme dispositif de serrage en raison de sa réponse rapide et de sa grande dissipation de puissance.
Diode de suppression de tension transitoire
La diode TVS est une diode à avalanche utilisée comme dispositif de serrage. Lorsque la tension appliquée dépasse sa tension de claquage par avalanche, elle élimine le courant excessif et maintient ou fixe la tension à un potentiel constant. Lorsque la tension appliquée est inférieure à la valeur de claquage, elle se réinitialise automatiquement.
Les diodes TVS peuvent être utilisées comme dispositifs unidirectionnels pour empêcher les transitoires des dispositifs unipolaires ou bidirectionnels afin d'éviter les transitoires de l'une ou l'autre polarité (Figure 2). Les dispositifs bidirectionnels peuvent être symétriques, limités à n'importe quelle tension de polarité avec la même amplitude, ou asymétriques, limités à différents niveaux de tension en fonction de la polarité du transitoire.
Figure 2 : Caractéristiques de claquage courant-tension des trois appareils TVS et leurs symboles schématiques. Source de l'image : LitInc.)
Le principe de fonctionnement de la diode TVS unidirectionnelle est similaire à celui d'une simple diode. Il est activé lorsque la polarisation directe est appliquée et non activé lorsque la polarisation inverse est appliquée jusqu'à ce que la tension de claquage (VBR) de la diode soit dépassée. Lorsque la tension appliquée dépasse VBR, la diode est allumée et la tension aux deux extrémités est maintenue à la tension de serrage (VC). La puissance maximale que cette diode peut dissiper est le courant d'impulsion de crête (IPP) x VC.
Les diodes TVS bidirectionnelles sont équivalentes à deux diodes dos à dos. Lorsque la tension de claquage (VBR) n'est dépassée dans aucune des deux directions, seul un faible courant de fuite inverse (IR) circule. Cette opération est symétrique car les amplitudes de tension de claquage sont les mêmes pour les deux conditions de polarisation.
Les diodes TVS asymétriques se comportent de la même manière que les dispositifs bidirectionnels, mais les tensions de claquage (VBR1 et VBR2) sont différentes.
Diode TVS asymétrique
Vous voudrez peut-être savoir pourquoi des diodes TVS asymétriques sont nécessaires. Ces composants sont conçus pour protéger les pilotes de grille sur les MOSFET en carbure de silicium (SiC). En raison de la vitesse de commutation rapide du SiC, ces disques sont vulnérables aux dommages dus aux transitoires de surtension. Regardons le SiC MOSFET ou l'onduleur de traction pour la charge embarquée (Figure 3).