Aujourd'hui, les nouvelles technologies énergétiques disponibles sur le marché se concentrent principalement sur la production d'énergie solaire photovoltaïque (PV), qui capte l'énergie solaire et la convertit en électricité utilisable.
La figure 1 illustre un système typique de production d'énergie solaire photovoltaïque. Dans ce système, les panneaux photovoltaïques produisent de l'électricité à partir de la lumière du soleil, laquelle est convertie du courant continu (CC) en courant alternatif (CA) par un onduleur. L'électricité CA est ensuite injectée dans le réseau pour être distribuée aux habitations ou aux entreprises, ou utilisée pour charger des batteries par le système de conversion de puissance (également appelé onduleur de stockage d'énergie bidirectionnel). Ce système fournit l'énergie en fonction de l'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité.
Dans un système de production d'énergie centralisé ou distribué, l'onduleur constitue le cœur du système photovoltaïque. La commutation sûre et fiable du pont complet de transistors IGBT est l'élément le plus critique de la conception globale du système et le facteur le plus déterminant lors d'un investissement dans des systèmes d'alimentation CC haute tension. Il est donc essentiel de garantir le fonctionnement fiable de la logique de l'unité de commande et d'optimiser l'isolation entre les différentes unités de contrôle et les circuits électriques dangereux lors de la conception des circuits de l'unité de commande des IGBT.
La figure 2 illustre un exemple de système d'onduleur. Généralement, un convertisseur CC/CC (PV60-27D1215) est placé en amont pour convertir le courant du bus CC en 24 V CC afin d'alimenter l'unité de commande. La tension d'isolation de ce convertisseur CC/CC doit être d'au moins 4 000 V CA pour garantir la sécurité et la fiabilité entre le bus haute tension et le circuit de l'unité de commande. L'unité d'isolation du système d'entraînement est connectée entre l'IGBT et la carte de commande du système ; par conséquent, l'unité d'entraînement doit présenter des caractéristiques d'isolation élevées afin de garantir un fonctionnement stable et fiable du système de commande principal.
Quelles sont les exigences spécifiques pour une carte de commande IGBT sûre et fiable ?
Le circuit de commande IGBT sert principalement à isoler, transmettre et amplifier le signal d'impulsion de commande afin de fournir l'alimentation et d'assurer un fonctionnement fiable, stable et sûr du dispositif de puissance IGBT. Les exigences suivantes doivent être prises en compte lors de la conception du panneau de commande IGBT :
a) Dans les variateurs de fréquence, le circuit IGBT en pont complet, largement utilisé, permet d'éviter efficacement la conduction simultanée entre les IGBT des ponts supérieur et inférieur, ainsi que les courts-circuits susceptibles de se produire dans le système d'onduleur à haute et basse tension. Par conséquent, une puce de commande logique sûre, fiable, robuste et précise est essentielle.
b) Selon les caractéristiques de fonctionnement de l'IGBT, le condensateur de jonction (Cge) doit être chargé ou déchargé lors de la mise sous tension ou hors tension de l'IGBT. Par conséquent, l'alimentation CC/CC du système d'entraînement de la porte doit présenter deux tensions de sortie asymétriques, positive et négative, et satisfaire aux exigences de charge et de décharge transitoires de la capacité de jonction afin de garantir une commutation rapide de l'IGBT.
C) Lors de la conversion d'une tension CC élevée en tension CA, l'IGBT génère des signaux parasites haute fréquence et forte amplitude pendant les commutations rapides. Le circuit de commande doit donc présenter une forte immunité aux interférences, une tension d'isolation élevée et une faible capacité d'isolation afin de garantir son fonctionnement fiable et d'empêcher la propagation des signaux parasites en mode commun vers la carte de commande du système.
D) L'environnement de fonctionnement de l'IGBT, caractérisé par un courant et une tension élevés, entraîne une importante élévation de température au sein du système lors de la conversion. L'alimentation CC/CC du système d'entraînement de la porte doit donc présenter une large plage de températures de fonctionnement.
Comment fonctionne la carte de démonstration « ON Semi Driver » ?
La figure 3 illustre son fonctionnement. Sur ce schéma de connexion, les broches 2 et 14 sont reliées au niveau de grille (G), et la broche 2 du circuit intégré FOD3120 est reliée au signal de commande. Lorsque le signal de commande est à l’état haut, le circuit intégré génère un niveau haut, ce qui active le transistor NPN (2SC5569), désactive le transistor PNP (2SA2016), relie la sortie positive (+V0) du module d’alimentation QA151 au niveau de grille (G) et active l’IGBT. Lorsque le signal de commande est à l’état bas, le circuit intégré génère un niveau bas, ce qui désactive le transistor NPN (2SC5569), active le transistor PNP (2SA2016), relie la sortie négative (-V0) du module d’alimentation QA151 au niveau de grille (G) et désactive l’IGBT.
Le driver MORNSUN QA151 est un convertisseur DC/DC spécialisé pour les drivers IGBT. Grâce à son mode de connexion mutuelle et ses deux sorties indépendantes, il est idéal pour alimenter le circuit intégré de pilotage ON FOD3120SD et les transistors 2SC5569 et 2SA2016 d'ON Semiconductor.
Ce module d'alimentation QA151 intègre les caractéristiques de pilotage des circuits intégrés et fournit des tensions de sortie asymétriques de +15/-8 V CC, minimisant ainsi la consommation d'énergie et garantissant une commutation rapide.
Le QA151 offre également une large plage de températures de fonctionnement,
de -40 °C à +105 °C, et se présente sous la forme d'un boîtier SIP compact à 7 broches
(19,5 x 9,8
x 12,5 mm), compatible avec les cartes distribuées et SIP, tout en optimisant l'espace disponible dans le système.
Grâce à l'utilisation d'un transformateur isolé, le QA151 offre une tension d'isolation jusqu'à 3 000 Vca, assurant ainsi une isolation optimale à la carte de démonstration « On Semi Driver ». De plus, sa capacité d'isolation de seulement 6 pF confère à cette carte une excellente immunité au bruit et aux interférences. Avec un courant de sortie maximal de 120 mA et une capacité de charge supérieure à 200 µF, il répond aux exigences d'alimentation d'une large gamme d'IGBT.
