Comment mesure-t-on la perte de commutation d'un transistor ?

Principaux enseignements

• Les pertes de commutation des IGBT sont mesurées à partir du chevauchement intégré de la tension et du courant lors de chaque événement de mise en conduction et de coupure, et non à partir de valeurs en régime permanent.
• Les tests à double impulsion ne fonctionnent que lorsque la commande de grille, l'inductance du bus, la synchronisation des sondes et les conditions thermiques sont contrôlées et documentées.
• Les valeurs énergétiques indiquées dans les fiches techniques constituent des repères utiles, mais pour obtenir une conception fiable, il faut s'appuyer sur la cellule de commutation réelle, tant pour les mesures que pour la modélisation.

La perte de commutation d'un transistor est mesurée en enregistrant la tension et le courant du dispositif lors de la mise sous tension et de la coupure, en les multipliant pour obtenir la puissance instantanée, puis en intégrant cette puissance sur chaque transition.

Cette méthode est importante car le rendement du convertisseur est déterminé pendant des intervalles très courts que la fiche technique ne peut qu'estimer approximativement. Les systèmes de moteurs électriques consomment plus de 40 % de l'électricité mondiale; ainsi, de petites erreurs dans les estimations des pertes du convertisseur ne restent pas minimes très longtemps. Vous avez besoin d'un banc d'essai capable de reproduire la tension de votre bus, le courant de charge, la résistance de grille et la configuration. Vous avez également besoin d'un modèle correspondant à ces mêmes conditions si vous souhaitez que le calcul des pertes de commutation des IGBT corresponde aux résultats mesurés.

Les pertes de commutation proviennent de l'énergie contenue dans chaque transition

Les pertes de commutation proviennent du chevauchement entre la tension et le courant lorsque le dispositif passe de l'état « arrêté » à l'état « activé ». Ce chevauchement dure de quelques nanosecondes à quelques microsecondes. L'énergie associée à chaque événement est faible, mais c'est la fréquence de répétition qui rend ce phénomène significatif. Les pertes de commutation des IGBT constituent toujours un problème d'énergie par commutation avant de devenir un problème de dissipation de puissance.

Un exemple simple permet d'expliquer pourquoi. Un dispositif qui dissipe 2 mJ lors de la mise sous tension et 3 mJ lors de la mise hors tension à 20 kHz consommera 100 W rien qu'en pertes de commutation. Ce chiffre résulte de l'addition des deux énergies multipliée par la fréquence. Vous ne constaterez pas cette perte lors de mesures statiques de chute de tension, car les pertes par conduction et les pertes de commutation proviennent de parties différentes de la forme d'onde.

Cette distinction détermine la méthode de mesure. Il ne s'agit pas de rechercher une valeur unique et stable. Il s'agit d'isoler des événements de courte durée, puis de les additionner pour obtenir la puissance moyenne. C'est pourquoi les pertes de commutation sont généralement enregistrées sous forme d'énergie de mise sous tension et de mise hors tension avant d'être converties en watts. Une fois que l'on a défini ainsi les pertes de commutation dans les dispositifs IGBT, le reste du processus de test devient clair : capturer la transition, calculer la puissance instantanée et n'intégrer que sur l'intervalle où la tension et le courant se chevauchent.

Un test à double impulsion fournit des données exploitables sur les pertes de commutation

Un test à double impulsion constitue la configuration standard, car il génère un événement d'activation contrôlé et un événement de désactivation contrôlé à un courant et une tension du bus de courant continu connus. La première impulsion établit le courant dans le circuit de charge. La deuxième impulsion crée la transition que l'on souhaite mesurer. Cela permet d'isoler le comportement de commutation des activités de commande plus longues.

Un banc d'essai opérationnel se compose d'un petit ensemble de composants qui doivent fonctionner comme une seule cellule de test. Chaque composant influe sur la forme d'onde mesurée. La source et la charge déterminent le point de fonctionnement. Les sondes et les connexions déterminent le degré de fiabilité du résultat.

• Une source de courant continu avec une tension de bus stable
• Une charge inductive qui maintient le courant pendant la durée de l'impulsion
• Une boucle de puissance à faible inductance avec des connexions courtes
• Un circuit d'attaque de grille à résistance et tension d'alimentation définies
• Sondes de tension et de courant à bande passante et temps de réponse adaptés

On teste souvent un IGBT de 600 V à plusieurs niveaux de courant, par exemple 10 A, 25 A et 50 A, car les pertes de commutation ne sont pas linéaires sur toute la plage de fonctionnement. La méthode à double impulsion permet de garantir la répétabilité de ces points de fonctionnement. Si votre montage génère un oscillation incontrôlée ou une dérive de courant, l'énergie mesurée fournira davantage d'informations sur le dispositif de mesure que sur le transistor.

« Tu ne cherches pas une valeur unique et constante. »

Les caractéristiques du circuit de commande de grille déterminent les formes d'onde que vous devez mesurer

Les paramètres de commande de la grille déterminent directement la vitesse à laquelle le dispositif traverse la région linéaire ; ils influent donc directement sur les pertes de commutation mesurées. La résistance de la grille, la tension de grille, la capacité de courant du circuit d'attaque et l'inductance parasite autour de la boucle de grille sont autant de facteurs qui entrent en ligne de compte. Une transition de grille plus lente augmente le temps de chevauchement. Une transition plus rapide réduit la consommation d'énergie, mais peut accroître le dépassement et l'oscillation résiduelle.

Un résultat d’essai courant le montre clairement. En augmentant la valeur de la résistance de déclenchement de 5 ohms à 15 ohms, on allonge la montée en courant et on prolonge la période pendant laquelle la tension du collecteur reste élevée. L’énergie de déclenchement intégrée augmente alors, même si le courant de charge et la tension du bus restent fixes. Un même dispositif peut paraître efficace ou inefficace selon la valeur d’une résistance qui n’apparaît jamais dans une estimation simplifiée des pertes.

C'est pourquoi une mesure précise des pertes de commutation d'un IGBT inclut toujours la forme d'onde réelle de la grille, et pas seulement la tension et le courant du collecteur. Si le circuit d'attaque entre en saturation, si la polarisation négative à l'état bloqué est faible ou si la boucle de grille oscille, le résultat obtenu pour les pertes ne reflétera pas uniquement les caractéristiques du dispositif lui-même. Il représentera l'ensemble de la cellule de commutation que vous avez mise en place.

L'inductance du bus détermine l'excursion de tension lors de la commutation

L'inductance du bus influence le transitoire de commutation, car toute variation rapide du courant traversant une inductance parasite génère une tension supplémentaire. Ce dépassement s'ajoute à la tension du bus continu et modifie la puissance instantanée que l'on intègre. Cet effet est particulièrement marqué lors de la coupure, lorsque le courant chute rapidement et que la tension du dispositif augmente simultanément. La disposition des composants fait partie intégrante de la mesure des pertes ; il ne s'agit pas d'un détail secondaire.

Un rapide calcul permet d'en apprécier l'ampleur. Avec une inductance de boucle de 30 nH et une vitesse de variation du courant de 1 000 A/µs, la tension supplémentaire est d'environ 30 V, d'après la relation V = L di/dt. Sur un bus de 600 V, ce dépassement est suffisamment important pour modifier à la fois la contrainte et l'énergie mesurée. Un bus laminé long, une mise à la terre de la sonde mal fixée ou une boucle de courant large aggraveront tous la qualité de la forme d'onde.

On peut facilement se méprendre sur l'origine de cette perte supplémentaire. Le transistor n'est pas soudainement devenu un composant différent. Ce sont votre boîtier, vos barres omnibus, l'emplacement des condensateurs et le raccordement des sondes qui ont modifié le chemin de commutation. C'est pourquoi les valeurs énergétiques indiquées dans les fiches techniques ne correspondent souvent pas aux résultats obtenus dans un montage de laboratoire utilisant une structure de circuit intermédiaire CC différente.

L'énergie de démarrage provient de l'intégration de la puissance instantanée de l'appareil

L'énergie de mise sous tension est calculée à partir de la puissance instantanée du dispositif pendant l'intervalle de mise sous tension. Il faut multiplier la tension collecteur-émetteur par le courant de collecteur à chaque point d'échantillonnage, puis intégrer cette valeur sur le temps. Le résultat est une valeur d'énergie unique, généralement désignée par Eon. La précision du calcul des pertes de commutation d'un IGBT dépend davantage de la fenêtre temporelle choisie que de l'opération arithmétique elle-même.

Une capture type commence légèrement avant que la tension de grille ne commence à augmenter et se termine une fois que la tension du collecteur s'est stabilisée près de son niveau à l'état passant. Si un événement de 400 V et 30 A présente un fort dépassement de courant pendant 80 ns, ce dépassement reste dans la fenêtre d'intégration car il apporte une énergie réelle. Si vous coupez la fenêtre trop tôt, vous sous-estimez la perte. Si vous la prolongez trop loin dans la conduction stable, vous incluez des pertes de conduction dans Eon.

Le logiciel SPS SOFTWARE s'avère utile dans ce contexte, car il permet de reproduire la même résistance de grille, la même inductance de bus et le même courant de charge dans un modèle basé sur la physique. Vous pouvez ensuite comparer les termes d'activation intégrés aux mesures effectuées sur banc d'essai. Cette comparaison terme par terme permet souvent de déterminer si le décalage provient du timing des sondes, des parasites de la topologie ou d'un modèle de dispositif incomplet. Elle permet également de dissocier l'étape d'intégration des hypothèses relatives au dispositif et à la topologie.

La fonction « Éteindre » utilise la même méthode d'intégration de puissance

La coupure de l'alimentation utilise la même méthode de puissance instantanée, mais les caractéristiques importantes de la forme d'onde sont différentes. La tension au collecteur augmente, le courant diminue, et la « queue » du courant de l'IGBT peut transporter une énergie significative après la montée principale de tension. Le résultat est généralement désigné par Eoff. Si vous ne tenez pas compte de cette « queue », la valeur obtenue sera erronée, même si la transition principale semble nette.

Lors d'un événement de coupure mesuré à 40 A, on observe souvent que le courant chute rapidement dans un premier temps, puis diminue plus lentement à mesure que la charge stockée quitte le dispositif. Cette dernière phase peut durer plus longtemps que la montée initiale de tension, en particulier lorsque la température de jonction est élevée. Votre fenêtre d'intégration doit se poursuivre jusqu'à ce que le courant atteigne sa valeur finale à l'état bloqué et que l'apport d'énergie ait effectivement pris fin.

L'alignement des sondes est plus important que ne le pensent de nombreuses équipes. Un léger décalage temporel entre les canaux de tension et de courant modifie le chevauchement apparent et fausse la valeur Eoff. Il convient de corriger ce décalage, de vérifier la polarité et de contrôler la fréquence d'échantillonnage avant de se fier à toute valeur intégrée. C'est souvent au niveau de la perte à l'arrêt qu'une courbe de laboratoire apparemment parfaite masque une erreur de calcul importante.

Les valeurs indiquées dans la fiche technique ne sont valables que dans des conditions de fonctionnement très contrôlées.

Les valeurs d'énergie de commutation indiquées dans la fiche technique ne sont valables que pour les conditions d'essai exactes utilisées pour les obtenir. La tension du bus, le courant, la résistance de grille, la température de jonction, le comportement de la diode de roue libre et l'inductance parasite influencent tous le résultat. Si la configuration de votre banc d'essai diffère, les pertes mesurées varieront. Cet écart est normal et doit être considéré comme une explication plutôt que comme une surprise.

Les systèmes de ventilation et de pompage équipés d’un variateur de vitesse peuvent réduire la consommation d’électricité d’environ 30 %, ce qui explique en partie pourquoi il est important de disposer d’estimations précises des pertes des convertisseurs en dehors du laboratoire. Un variateur dont le budget a été établi sur la base des valeurs de pertes indiquées dans le catalogue peut chauffer davantage que prévu dès lors que le matériel intégré ajoute une inductance supplémentaire et un réseau de gates différent. Vous ne pourrez pas corriger ce décalage à l’aide d’une feuille de calcul plus performante si les conditions de test sous-jacentes n’ont jamais été respectées.

Une fois que l’on compare ces conditions ligne par ligne, la plupart des divergences deviennent compréhensibles. Le résultat obtenu au banc d’essai met généralement en évidence une ou deux différences majeures, plutôt qu’un mystère au sein même du transistor. On peut alors attribuer l’énergie supplémentaire à une condition d’essai spécifique. La question pertinente est de savoir quelle condition a suffisamment modifié la forme d’onde pour altérer l’énergie intégrée.

Les modèles basés sur la physique mettent en évidence les termes de perte avant l'itération matérielle

Les modèles basés sur la physique sont utiles car ils permettent de reproduire les intervalles d'activation et de désactivation en reprenant les mêmes hypothèses que celles utilisées sur le banc d'essai. Vous pouvez ainsi analyser la tension, le courant, la synchronisation et les effets parasites avant de découper le cuivre ou de répéter les tests. Les pertes de commutation deviennent ainsi un calcul traçable, et non plus un simple chiffre opaque. Cela vous offre également un moyen objectif de comparer les résultats simulés et mesurés.

Un modèle utile ne remplacera pas les mesures, mais il indiquera où chercher en priorité. Si la valeur simulée d’Eon correspond et que l’Eoff est élevée sur le banc d’essai, vous pouvez vous concentrer sur le comportement de la queue du courant, la récupération de la diode, le désalignement de la sonde ou l’inductance du schéma. Cela permet de restreindre la recherche de la défaillance avant de devoir réexaminer tous les paramètres. Cela raccourcit également le chemin entre la capture de la forme d’onde et l’obtention d’un budget thermique défendable.

SPS SOFTWARE s’intègre parfaitement à ce flux de travail, car il permet de reproduire la cellule de commutation à l’aide de modèles transparents et de comparer les pertes, terme par terme, aux formes d’onde mesurées. Cela permet de vérifier le modèle lorsqu’un résultat semble erroné. Il aide également les équipes à expliquer chaque terme de perte lors de la conception thermique et de la revue de conception. Grâce à cette approche rigoureuse, les pertes de commutation des IGBT, qui ne sont plus que des estimations tirées de catalogues, deviennent des données techniques fiables sur lesquelles vous pouvez vous appuyer pour prédire le rendement et prendre des décisions concernant le matériel.

« La question pertinente est de savoir quelle condition a suffisamment modifié la forme d'onde pour faire varier l'énergie intégrée. »