La figure 1 présente le schéma fonctionnel typique d'un convertisseur de puissance dans une unité de commande de moteur à courant alternatif. Ce convertisseur comprend un onduleur qui transforme la tension du bus continu en courant alternatif à fréquence variable pour alimenter le moteur. Les IGBT, transistors de puissance coûteux, constituent le cœur de l'onduleur. Ces composants doivent fonctionner à haute fréquence et supporter des tensions élevées.
Des amplificateurs d'isolement, tels que l'ACPL-C79A illustré sur la figure 1 (voir encart), associés à des résistances shunt, assurent des mesures précises du courant dans les convertisseurs de puissance, même en présence de bruit de commutation important. Utilisés avec un diviseur de tension résistif, ces amplificateurs d'isolement servent de capteurs de courant de précision pour surveiller la tension du bus continu. Les informations de courant et de tension provenant des amplificateurs d'isolement sont collectées par le microcontrôleur, qui les utilise pour calculer les valeurs de retour et les signaux de sortie nécessaires à la commande et à la gestion des défauts des convertisseurs de puissance.
Exigences en matière de protection contre les défauts :
Dans un onduleur, les IGBT sont les composants les plus coûteux ; il est donc essentiel de leur assurer une protection maximale contre tout dommage potentiel. Les amplificateurs d’isolement permettent une détection rapide des défauts, et les algorithmes exécutés par le microcontrôleur empêchent ces défauts d’endommager les IGBT. De plus, l’isolation optique des amplificateurs empêche les défauts de surcharger le microcontrôleur et de provoquer sa défaillance.
Cependant, la protection des IGBT doit être économique : le marché exige une protection suffisante des IGBT contre les défauts à un prix n’impactant pas significativement le coût global du système de commande moteur. Pour répondre à cette demande, des circuits de commande de grille d’IGBT (tels que l’ACPL-332J [1]) et des capteurs de courant intégrant des fonctions de protection pour la détection des défauts essentiels, en plus de leurs fonctions de commande et de détection, ont été introduits. Ces produits offrent une solution économique pour la protection des IGBT et éliminent le besoin de composants de détection et de rétroaction séparés. Voir les références [1] et [2] pour plus de détails sur les fonctions de protection intégrées aux circuits de commande de grille et leur mise en œuvre. La suite de cet article se concentrera sur certaines fonctions de protection contre les défauts pouvant être mises en œuvre avec des capteurs de courant/tension, comme indiqué dans le tableau 1.
Détection de surintensité :
Une surintensité dans un IGBT peut survenir suite à un court-circuit entre phases, un court-circuit entre phase et terre ou un courant de court-circuit. Les dispositifs de détection de courant en parallèle des amplificateurs d'isolement, placés sur les phases de sortie et le bus CC, assurent la détection des défauts en plus de la mesure du courant (voir figure 1). La durée de vie en court-circuit des IGBT courants est limitée à 10 ms [3, 4]. Pour une protection efficace, cette limite ne doit pas être dépassée. Dans ce délai, le défaut doit être détecté, signalé au contrôleur et la procédure d'arrêt doit être achevée. Différentes méthodes sont utilisées par les amplificateurs d'isolement pour répondre à cette exigence.
Par exemple, l'ACPL-C79A présente un temps de réponse rapide de 1,6 µs pour une entrée échelonnée. Ceci permet à l'amplificateur de capturer les transitoires lors de courts-circuits et de surcharges (voir figure 2) [5]. Le temps de propagation du signal d'entrée à la sortie est de seulement 2 µs, tandis que le signal de sortie rattrape le signal d'entrée en seulement 2,6 µs, atteignant 90 % de son niveau final.
Outre ce temps de réponse rapide, l'ACPL-C79A offre une précision de gain de ±1 %, une excellente non-linéarité de 0,05 % et un rapport signal/bruit (SNR) de 60 dB. Les modèles ACPL-C79B (précision de gain supérieure de ±0,5 %) et ACPL-C790 (tolérance de gain de ±3 %) sont également disponibles. Tous les composants de la gamme ACPL-C79A sont certifiés pour supporter une tension d'isolation de crête de 1 230 V et peuvent rejeter les perturbations transitoires en mode commun jusqu'à 15 kV/µs. Ces caractéristiques sont proposées dans un boîtier SO-8 30 % plus compact que le boîtier DIP-8 standard.
Un autre exemple est le HCPL-788J, qui adopte une approche différente pour obtenir une réponse rapide en détection de surintensité (figure 3) [6, 7]. Outre le signal de sortie, il comporte un signal de défaut qui bascule rapidement de l'état haut à l'état bas pour indiquer une surintensité. Cet amplificateur d'isolation offre une précision de mesure de ±3 %.
Lors de la conception de la détection de défauts, il est essentiel de maîtriser les déclenchements intempestifs. Ces déclenchements correspondent à une activation injustifiée du système en l'absence de défaut apparent susceptible d'endommager les IGBT. Pour éviter ces fausses alarmes, le HCPL-788J intègre un circuit discriminateur d'impulsions qui inhibe efficacement l'influence des défauts di/dt et dv/dt. L'avantage de cette méthode réside dans l'indépendance de la réjection par rapport à l'amplitude, permettant ainsi de régler le seuil de défaut à un niveau beaucoup plus bas sans augmenter le risque de déclenchement intempestif.
Dans la mise en œuvre du circuit de détection rapide de défauts, deux comparateurs sont utilisés dans le bloc de détection pour détecter les seuils de défaut négatif et positif. Le seuil de commutation est égal à la référence du modulateur sigma-delta de 256 mV. Les sorties de ces comparateurs sont connectées à des filtres de suppression avec une période de suppression de 2 ms, puis envoyées au bloc d'encodage.
Afin de garantir une transmission aussi rapide que possible de l'état de défaut à travers la limite d'isolation, deux séquences de codage numérique uniques sont utilisées pour représenter la condition de défaut : un code pour le niveau négatif et un autre pour le niveau positif. Lorsqu'un défaut est détecté, le transfert normal de données via le canal optique est interrompu et le flux binaire est remplacé par le code de défaut. Ces deux codes de défaut s'écartent significativement du régime de codage normal ; ainsi, côté détecteur, le décodeur les reconnaît immédiatement comme des conditions de défaut [7].
Le temps nécessaire au décodeur pour détecter et signaler le défaut à travers la limite d'isolation est d'environ 1 ms. L'ajout d'un délai de 400 ns au filtre anti-repliement induit un délai de propagation de 1,4 ms. Le délai entre l'événement de défaut et le signal de défaut de sortie correspond à la somme du délai de propagation et de la période de suppression (2 ms), ce qui donne un temps de détection global de 3,4 ms (voir figure 4).
La sortie de défaut permet de coupler les signaux de défaut provenant de plusieurs dispositifs, autorisant ainsi le câblage de plusieurs composants pour générer un signal de défaut unique (voir en haut à droite de la figure 5) [6]. Ce signal peut ensuite être utilisé pour désactiver directement les entrées PWM via le contrôleur.
Détection de surcharge
Une surcharge désigne une situation où le courant du moteur dépasse le courant nominal de l'appareil, mais pas au point de mettre l'onduleur ou le moteur en danger immédiat de panne, par exemple en cas de surcharge mécanique du moteur ou de blocage du moteur suite à une défaillance d'un roulement.
Les onduleurs sont généralement spécifiés avec une capacité de surcharge en plus de leur puissance nominale. La durée de cette capacité de surcharge admissible dépend du délai avant que la surchauffe ne devienne problématique. Une capacité de surcharge typique est de 150 % de la charge nominale pendant une minute maximum.
L'ACPL-C79A accepte une plage d'entrée complète de ±300 mV, et les spécifications de la fiche technique sont basées sur une plage d'entrée nominale de ±200 mV. Le concepteur peut choisir le seuil de surcharge à l'une de ces valeurs, ou à une valeur intermédiaire. Si la précision de la mesure du courant de surcharge avec un seuil proche de 300 mV est moins critique que celle du courant de fonctionnement normal (ce qui est souvent le cas), ce choix est judicieux, car il permet d'exploiter pleinement la plage dynamique d'entrée de l'amplificateur d'isolation. Cependant, le réglage du seuil à 200 mV garantit la précision de la mesure du courant de surcharge. Une fois les niveaux de tension déterminés, le concepteur doit choisir la valeur appropriée de la résistance de détection en fonction du niveau de courant correspondant.
Le HCPL-788J intègre une fonction supplémentaire, la sortie ABSVAL, qui permet de simplifier le circuit de détection de surcharge. Le circuit ABSVAL redresse le signal de sortie, fournissant un signal proportionnel au niveau absolu du signal d'entrée selon la formule :
ABSVAL = |ENT V| *REF V,EXT / 252 mV
Cette sortie peut également être câblée (connexion OU). La combinaison des trois phases sinusoïdales du moteur produit un signal redressé (ABSVAL) représentant le courant efficace du moteur. Ce signal continu, associé à un comparateur de seuil, permet de détecter les surcharges du moteur avant qu'il ne soit endommagé, ainsi que le contrôleur (voir en bas à droite de la figure 5).
Détection de surtension :
La tension du bus CC doit être constamment surveillée. Dans certaines conditions de fonctionnement, un moteur peut se comporter comme une génératrice, renvoyant une haute tension sur le bus CC via l’alimentation de l’onduleur et/ou les diodes de récupération. Cette haute tension s’ajoute à la tension CC et provoque une surtension importante appliquée aux IGBT. Cette surtension peut dépasser la tension collecteur-émetteur maximale des IGBT et les endommager.
L'amplificateur d'isolation miniature (ACPL-C79A) est souvent utilisé comme capteur de tension dans les applications de commande de bus CC (Figure 6). Le concepteur doit réduire la tension du bus CC pour l'adapter à la plage d'entrée de l'amplificateur d'isolation en choisissant les valeurs de R1 et R2 selon le rapport approprié.
En conclusion,
les amplificateurs d'isolation d'Avago Technologies constituent une solution efficace pour protéger les IGBT contre les surintensités, les surcharges et les surtensions, en plus de leur fonction de détection de courant et de tension. L'utilisation de ces composants, associée à des pilotes de grille multifonctions tels que l'ACPL-332J, permet de mettre en œuvre facilement un système de protection des IGBT à la fois économique et complet.
Auteur:
Par : Hong Lei Chen, chef de produit, Avago Technologies
Références
1. Fiche technique ACPL-332J, Avago Technologies, AV02-0120EN.
2. Hong Lei Chen et Chun Keong Tee, « Utilisation d'optocoupleurs de commande de grille pour la protection des IGBT », EETimes Europe, décembre 2010, p. 28-31.
3. Terje Rogne, « Capacité de court-circuit des transistors IGBT (COMFET) », IEEE, 1988.
4. J. Li, R. Herzer, R. Annacker, B. Koenig, « Composants IGBT/FWD modernes pour applications 1 200 V », Semikron Elektronik GmbH, 2007.
5. Fiche technique des amplificateurs d'isolation miniatures de précision ACPL-C79B, ACPL-C79A et ACPL-C790, Avago Technologies, AV02-2460EN.
6. Fiche technique HCPL-788J, Avago Technologies, AV02-1546EN.
7. Patrick Sullivan, Denis Kobasevic, « Capteur de courant intelligent pour la commande de moteurs », PCIM Europe, 1998, vol. 10, n° 4, p. 182-186.
