Figure 1.
1. Introduction.
L'optimisation des performances électromagnétiques d'un système est une tâche complexe, car les paramètres influents sont nombreux et nécessitent une analyse approfondie.
Ainsi, le remplacement d'un bloc d'alimentation ou d'un étage d'un système d'alimentation sans coupure (ASI), par exemple par la mise à niveau d'un module semi-conducteur de puissance, est une opération longue et fastidieuse. L'étude présentée dans ce document se limite au circuit de commande de grille et à son compromis entre dv/dt et, plus précisément, les pertes de puissance de commutation. En analysant la dépendance du comportement de commutation, notamment dv/dt, en fonction de la résistance de grille d'une part, et en considérant que les pertes de l'IGBT sont fortement influencées par le choix des conditions de commande de grille d'autre part, une relation peut être établie entre les pertes de l'IGBT et le comportement électromagnétique potentiel. L'étude aboutit à un graphique illustrant les pertes de puissance de commutation, la résistance de grille et la vitesse de variation de la tension de commutation (dv/dt).
De plus, une plateforme d'évaluation compacte, la « Carte d'évaluation », comprenant le circuit de commande IGBT isolé et le convertisseur DC/DC pour le fonctionnement du module IGBT 6-en-1 équipé d'un transistor CSTBT™ de pointe et d'une diode de roue libre (FwDi), est présentée et analysée par thermographie. Dans un premier temps, des tests de commutation à l'aide de générateurs multi-impulsions ont été réalisés dans les conditions les plus défavorables. Si les pertes par commutation sont généralement plus importantes en cas de tension de bus DC élevée combinée à un courant de collecteur élevé et à une température de jonction élevée du composant testé, le comportement en dv/dt est, en revanche, plus critique à température ambiante et à faibles courants. Les applications telles que les contrôleurs de moteurs et les alimentations sans interruption (ASI) sont soumises à toutes ces différentes conditions en fonctionnement, par exemple, des démarrages à froid aux fonctionnements sous fortes charges et aux températures de jonction élevées qui en résultent.
2. Test de la configuration et des paramètres
2.1 Pertes de puissance en connexion (Eon)
Toutes les mesures de caractérisation des pertes de puissance en connexion ont été réalisées sur un module IGBT 6 en 1 150 A/1200 V. La mesure des pertes ne nécessite qu'une seule phase du module. La configuration de test est illustrée à la figure 1 et les conditions de ce test sont détaillées dans le tableau 1.
Les énergies de commutation mesurées résultent de la perte de puissance instantanée intégrée, dans les limites de temps spécifiées de 10 % du courant de commutation et de 10 % de la tension d'alimentation Vcc appliquée. Ces limites sont illustrées à la figure 2.
2.2 Mesure du dv/dt.
L'acquisition des informations de dv/dt est effectuée au point de spécification où les valeurs de dv/dt les plus élevées sont attendues, comme mentionné dans l'introduction, par exemple à faibles courants et à températures relativement basses.
Ce scénario le plus défavorable a été déterminé à 10 % du courant nominal de l'IGBT et une tension d'alimentation du bus CC de 600 V CC. En réalité, le RBSOA du chipset CSTBT™ de sixième génération supporterait jusqu'à 850 V, mais pour les nombreuses applications de commande de moteurs alimentées sans entrée active, la valeur de 600 V CC a été choisie. Toutes les conditions de commande sont indiquées dans le tableau 2.
Le circuit de test initialement proposé sur la figure 1 pour la mise sous tension a été modifié afin de maintenir le dispositif testé « non flottant ». Cette modification du montage de test permet de maintenir l'oscilloscope à un potentiel stable et non flottant. Le montage de test utilisé pour la mesure du dv/dt est présenté sur la figure 3.
3. Plateforme d'évaluation
3.1 Conception de la carte d'évaluation
Ces tests peuvent être réalisés à l'aide d'une carte d'évaluation dédiée (EVB), comme illustré sur la figure 4.
La solution à deux circuits imprimés (PCB) présentée sur la figure 4 illustre la construction de cette carte d'évaluation : un circuit de commande IGBT intégré avec détection de désaturation est placé sur le module IGBT, et un convertisseur CC-CC isolé est utilisé pour chaque IGBT sur la seconde carte, placée sur la carte de commande de grille. Les résistances de grille peuvent être sélectionnées parmi toute la gamme d'IGBT recommandée disponible dans ce boîtier, et le convertisseur CC-CC conçu couvre toute la gamme des modules IGBT 6-en-1 utilisant la technologie CSTBT™ de 6e génération, en prenant en compte des fréquences de commutation jusqu'à 20 kHz.
Figures 2a et 2b : Intervalle d'intégration de la perte de commutation en conséquence de l'énergie de commutation d'allumage (Eon).
L'isolation de sécurité entre les entrées de commande et la sortie IGBT a été réalisée grâce au photocoupleur et à l'isolation renforcée du convertisseur CC-CC.
3.2 Conception du circuit imprimé.
Par ailleurs, la conception de cette plateforme d'évaluation est cruciale en raison des contraintes d'espace qui limitent les distances de dégagement et de fluage. Comme illustré sur la figure 4, la carte d'évaluation est constituée de deux circuits imprimés superposés et reliés par des connecteurs à broches.
Le circuit imprimé situé près du module IGBT assure l'isolation électrique de l'étage d'entrée et du circuit de commande de grille. Le circuit imprimé situé au-dessus du circuit de commande de grille intègre le convertisseur CC-CC alimentant les circuits de commande de grille de chaque canal. La consommation électrique estimée par canal est calculée à partir de la charge de grille (relativement faible) du CSTBT™ de 6e génération utilisé, pour les niveaux de tension de grille spécifiques à l'amorçage et au blocage, et pour une gamme de fréquences de commutation possibles.
Le calcul de la puissance requise pour l'étage de commande de grille du plus grand module disponible en configuration 6-en-1, par exemple un composant de 150 A/1200 V, à une fréquence de commutation maximale de 15 kHz, et en considérant une polarisation positive de 15 V et une polarisation négative de 8 V, aboutit à une consommation d'environ 1 W par canal de commande.
Dans une approche prudente, le convertisseur DC-DC, implémenté en topologie push-pull, a été conçu pour fournir 1,5 W par canal du circuit de commande IGBT. Malgré la difficulté à garantir des distances d'isolement et de fuite suffisantes, il s'avère possible d'atteindre environ 5,5 mm d'isolement et de fuite sur la carte de commande IGBT, en raison de la faible surface du boîtier IGBT et de la complexité du brochage. La conception du convertisseur DC-DC révèle d'autres défis.
Figure 3.
Une fois les grands noyaux EE-13.5 et les composants principalement montés par fil (THT) sélectionnés pour la première carte d'évaluation prototype du convertisseur DC-DC, la distance d'isolement réalisable était limitée à environ 3,5 mm. Une future version de cette carte vise à atteindre des distances d'isolement et de fluage de 5,5 mm ou plus, permettant ainsi l'utilisation de cette plateforme dans des environnements à forte contamination. Compte tenu de la puissance élevée de cette alimentation à découpage, les objectifs d'isolement et de fluage peuvent être atteints en ajustant la puissance de l'alimentation et en choisissant des noyaux de ferrite de plus petite taille, ainsi qu'en utilisant des composants CMS pour stabiliser les tensions de polarisation positive et négative des pilotes de grille. La carte de circuit imprimé du convertisseur DC-DC comprend également un circuit permettant de transmettre les informations de température de la thermistance NTC intégrée au boîtier du module IGBT, via une barrière d'isolation de sécurité, au connecteur de commande situé en haut de la carte. Outre l'évaluation des performances électriques, les performances thermiques du convertisseur DC-DC ont également été analysées.
Figure 4 : EVBNX 6-en-1 et sa solution à 2 PCB. En bas : pilote IGBT ; en haut : convertisseur CC/CC
Figure 5 : Deux contrôleurs IGBT adjacents sur la carte de contrôle et la distance de fuite.
Figure 6 : Image thermique du convertisseur CC-CC
3.3 Évaluation électrique et thermique.
Le convertisseur DC-DC et les performances de l'étage de pertes du contrôleur ont été évalués par simulation lors de la phase de conception. Une évaluation et une vérification thermiques ont été réalisées sur le premier prototype afin de valider les résultats théoriques obtenus. La figure 6 présente une image infrarouge du convertisseur DC-DC sous charge (ou surcharge), par exemple 1,5 W par canal IGBT avec les 6 canaux en fonctionnement. Cette image a été prise après stabilisation thermique à une température ambiante de 21 °C. La surface entière a été peinte en noir, assurant une émissivité uniforme de 0,99 pour l'ensemble du circuit imprimé et ses composants. Cinq points de référence ont été sélectionnés pour cette analyse, comme illustré sur la figure 5. Si les résultats obtenus en conditions de charge maximale sont plus pertinents pour l'évaluation thermique, l'évaluation électrique d'une alimentation à découpage doit également prendre en compte la plage de charge complète, par exemple de 0 % à 100 % (150 %) de la charge, afin de vérifier la stabilité de la tension fournie. L'image thermique montre que de nombreux petits transformateurs sont utilisés en parallèle dans ce dispositif de test, et par conséquent, l'équilibre des tensions secondaires doit également être pris en compte.
La régulation en boucle fermée de l'alimentation à découpage a donné des résultats satisfaisants, avec des variations de tension faibles et acceptables sur toute la plage de charge. Cependant, la température assez hétérogène de la carte, visible sur la figure 6, nécessite une analyse plus approfondie.
Le point de référence sur l'image thermique n° 5, le plus éloigné des sources de chaleur, contient les informations relatives à la température de base du circuit imprimé.
Figure 7 : « compromis » entre Eon et dv/dt en fonction de la perte de résistance de grille (basé sur la mesure de l’échantillon « ES »)
Les points indiqués sont numérotés de 1 à 5 et correspondent aux étapes suivantes du convertisseur CC-CC indiquées dans le tableau 3.
Le point de référence avec la température la plus élevée de 70,8 °C est de 49,8 K au-dessus de la température ambiante.
Une analyse plus approfondie doit être menée sur les composants présentant les températures d'encapsulation les plus élevées, comme illustré sur la figure 6. La prise en compte des pertes individuelles des composants marqués et le calcul de l'élévation de température interne à partir de la résistance thermique individuelle Rth(jc) de chaque composant permettent d'évaluer la sécurité et la fiabilité de la conception. La température de jonction la plus élevée est observée dans la référence 4, par exemple, dans le circuit de stabilisation de la tension positive de grille.
Dans ce cas, la température maximale mesurée en surface correspond à la température de jonction maximale calculée. La solution de convertisseur CC-CC offre une conception thermiquement stable, même sous une surcharge d'environ 1,5 fois, et révèle une marge de manœuvre permettant de réduire la taille du circuit ou d'augmenter la température ambiante maximale admissible de la plateforme d'évaluation.
4. Résultats
Les résultats compilés des tests de perte de puissance en connexion (Eon) et de dv/dt sont présentés dans le graphique de la figure 7 ci-dessous. Les résultats de dv/dt et d'Eon sont présentés conjointement sur cette figure, qui utilise les valeurs de résistance de grille comme paramètre. Outre les interférences électromagnétiques (IEM), le dv/dt est également considéré comme ayant un impact sur le vieillissement des enroulements. Les IEM, outre l'IGBT/FwDi et sa vitesse de commutation comme source, sont également influencées par des mécanismes de propagation tels que le couplage capacitif. Une mise à niveau d'un module IGBT implique que la propagation des IEM/CEM reste fondamentalement inchangée, hormis dans la construction interne du module. Les nouveaux modules proposés utilisent tous du nitrure d'aluminium (AlN) comme substrat, ce qui permet de réduire la capacité de couplage entre les empreintes et les côtés collecteur des puces par rapport à la masse, en augmentant l'épaisseur du substrat par rapport à l'Al₂O₃ conventionnel. Pour servir de référence aux résultats Eon/dv/dt d'un module industriel standard dépourvu de la nouvelle puce CSTBT™ de 6e génération et de la technologie FwDi, ces résultats sont également présentés dans la figure 7. La comparaison de ces deux technologies révèle que le module équipé de la puce de 6e génération offre un meilleur compromis entre dv/dt et pertes de puissance au niveau de la connexion considérée. Ainsi, une solution à puce plus performante maintient un niveau de dv/dt inférieur à celui d'une solution industrielle standard. La plage de valeurs de dv/dt pour les onduleurs dépend de l'application finale des étages de puissance. Les applications avec filtre de sortie dédié fonctionnent à des niveaux de dv/dt plus élevés que les applications de commande de moteurs.
En particulier pour les applications de commande de moteurs, les valeurs typiques de dv/dt peuvent être observées à moins de 8 kV/s et généralement beaucoup plus proches de 4 kV/s.
5. Conclusion
L'étude d'un module IGBT 6-en-1 équipé du nouveau chipset testé et d'un nouveau FwDi a démontré une perte de commutation inférieure par rapport aux performances dv/dt, comparativement aux générations précédentes de modules IGBT.
Ce meilleur compromis permet d'obtenir des contrôleurs plus performants, ou par conséquent, un avantage potentiel en termes de coûts grâce à un filtrage EMI réduit.
Auteur:
Marco Honsberg*, Thomas Radke*, Kazufumi Ishii**, Jokou Manotobu**
* Mitsubishi Electric Europe BV, Allemagne
** Mitsubishi Electric Corporation PDW, Fukuoka, Japon
6. Bibliographie
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