Modélisation des dispositifs de puissance IGBT pour la conception de convertisseurs et de variateurs

Principaux enseignements

• • Un modèle d'IGBT s'avère utile pour la conception lorsqu'il prend en compte les pertes de commutation, la récupération de la diode, la synchronisation de la grille et les effets parasites qui déterminent le dépassement et l'oscillation.

  • La précision du modèle doit être adaptée à la question à laquelle vous devez répondre, qu’il s’agisse d’études de contrôle des valeurs moyennes, de vérifications des pertes par commutation ou d’analyses des marges électrothermiques.

  • Le dimensionnement des amortisseurs, les estimations des pertes du convertisseur et les vérifications des contraintes du variateur de vitesse ne deviennent fiables qu'après comparaison du modèle avec les formes d'onde de commutation mesurées.

Des modèles IGBT précis permettent de passer d'un calcul mathématique théorique de la commutation à une vision claire des pertes, des contraintes de tension et du rapport cyclique du circuit d'amortissement lors de la conception d'un convertisseur.

Cette distinction est importante, car les étages de puissance tombent en panne bien plus souvent au niveau des fronts de commutation que dans le schéma moyen que vous esquissez au début. Les systèmes de moteurs électriques représentent près de 50 % de la consommation électrique mondiale ; ainsi, de petites erreurs dans les hypothèses relatives aux pertes et aux contraintes des convertisseurs se traduisent par des surchauffes, une augmentation de l’encombrement et des pertes de rendement sur l’ensemble d’un parc installé considérable. Vous obtiendrez de bien meilleures solutions de conception lorsque le modèle tiendra compte de la chute de tension par conduction, de l’énergie de commutation, de la récupération des diodes et des effets parasites autour du boîtier et de la barre omnibus. C’est à ce stade que la simulation cesse d’être une simple vérification du câblage pour commencer à orienter les choix matériels.

Les modèles de commutateurs idéaux ne tiennent pas compte des contraintes qui déterminent la conception

Un modèle de commutateur idéal ne répondra qu'aux questions relatives à la topologie et au contrôle. Il ne vous indiquera pas la quantité d'énergie consommée par le composant lors de la mise sous tension, l'amplitude du dépassement de tension collecteur-émetteur, ni la manière dont la diode de roue libre se rétablit. Ces effets déterminent l'élévation de température, la taille du circuit d'amortissement et la marge de sécurité du composant.

Un demi-pont de 600 V alimentant une charge inductive peut présenter un tracé parfaitement net avec des composants idéaux. Mais si l’on ajoute un courant de queue fini, la récupération inverse des diodes et une inductance de commutation de 20 nH, cette même branche présente alors des pics de tension et une dissipation supplémentaire à chaque front. Cela modifie le dimensionnement du dissipateur thermique et la marge de sécurité de fonctionnement. Cela influe également sur le type de modulation de largeur d’impulsion (MLI) jugé acceptable.

« Il n’est pas nécessaire de connaître tous les détails de la physique des semi-conducteurs pour chaque étude. »

Il faut en effet que le comportement soit suffisamment « non idéal » pour que le tableau des contraintes soit fidèle à la réalité. Cela commence généralement par une tension à l'état passant finie, un temps de commutation fini, un comportement de diode antiparallèle et la présence d'éléments parasites autour de la boucle. Une fois ces éléments pris en compte, vous étudiez enfin le convertisseur que vous comptez construire.

Choisissez le modèle d'IGBT en fonction de l'objectif de l'étude

Le modèle d'IGBT approprié est celui qui répond à votre question actuelle en fournissant des résultats plausibles en matière de contraintes et de pertes. Les modèles à valeurs moyennes conviennent au réglage des commandes et aux études de flux de puissance. Les modèles à commutation conviennent à la synchronisation de la grille, à l'estimation des pertes et au fonctionnement des amortisseurs. Les modèles électrothermiques détaillés conviennent aux vérifications de marge à proximité des limites de courant, de tension et de température.

Une étude portant sur un redresseur en amont nécessite rarement des détails sur le courant de grille à l'échelle de la nanoseconde. Un modèle de test à double impulsion en a toujours besoin. C'est précisément sur cette distinction que de nombreux projets perdent du temps, car les équipes soit surdimensionnent leurs premiers modèles, soit se fient à des modèles trop simplistes pour la sélection des composants. Ce point de contrôle permet de s'assurer que la portée du modèle reste en adéquation avec la problématique de conception.

SPS SOFTWARE s'adapte parfaitement à ce flux de travail, car il permet de partir d'un modèle de dispositif commutable modifiable et d'ajouter de la fidélité là où la problématique de conception l'exige. Vous n'êtes pas prisonnier d'une « boîte noire » hermétique ; vous pouvez donc vérifier les hypothèses relatives à la récupération des diodes, à l'inductance parasite et à la température. Cette transparence s'avère utile lorsqu'une forme d'onde semble anormale et que vous devez déterminer si le problème est d'ordre physique ou lié à la configuration. Elle permet également d'aligner les besoins de l'enseignement et ceux de l'ingénierie.

Représenter la commande des portes avec une synchronisation adaptée au matériel

La commande de la grille doit être modélisée en tenant compte des mêmes délais, résistances et limites de tension que ceux utilisés par le matériel. Le temps mort, les résistances à la mise sous tension et à la coupure, le comportement du plateau de Miller et le délai de propagation du circuit d'attaque modifient tous le chevauchement des courants et la récupération de la diode. Si ces valeurs sont génériques, les formes d'onde de commutation le seront également.

Une branche de phase présentant un retard d’activation supplémentaire de 200 ns dans le chemin côté haut ne partagera pas le courant comme le suggère un bloc de modulation de largeur d’impulsion idéal. La diode côté bas peut rester en conduction plus longtemps, puis se rétablir plus difficilement lorsque l’IGBT supérieur absorbe du courant. C’est pourquoi un modèle avec des résistances de grille source et puits distinctes donne une meilleure représentation qu’une simple valeur de temps de montée. On constate alors qu’une résistance de coupure plus faible réduit le courant résiduel tout en augmentant le dépassement.

Le temps mort mérite la même attention. Un temps mort trop court risque d'entraîner une conduction croisée, tandis qu'un temps mort trop long transfère les pertes vers la diode et déforme le courant en cas de faible charge. La synchronisation de la grille n'est pas seulement un détail de contrôle. Elle fait partie intégrante du modèle du dispositif, car elle détermine la manière dont celui-ci atteint chaque état.

Identifier les inductances parasites avant de régler le comportement de commutation

L'inductance parasite détermine l'intensité du front de commutation lorsque le courant passe d'un chemin de commutation à un autre. Si vous réglez la résistance de la grille ou ajoutez un amortisseur avant de modéliser cette inductance, vous ne vous attaquerez pas à la véritable cause du problème. Vous obtiendrez alors un schéma impeccable, mais un prototype bruyant.

Tout modèle de circuit à commutation réaliste doit tenir compte de ces éléments parasites avant de pouvoir évaluer l'oscillation ou le dépassement.

• L'inductance de boucle de la liaison en courant continu entre le condensateur et le demi-pont
• L'inductance de détection de l'émetteur qui assure la rétroaction vers la boucle de grille
• L'inductance des conducteurs du boîtier de l'IGBT et de sa diode antiparallèle
• La résistance du jeu de barres qui atténue une partie de l'oscillation à haute fréquence
• La capacité du câble côté charge observée lors de chaque événement de commutation

Une branche d’onduleur de 30 kW illustre bien l’importance de ce phénomène. Si l’on remplace la liaison en courant continu entre une source de tension idéale et un condensateur par une boucle comportant une inductance et une résistance série équivalente, la tension de crête collecteur-émetteur peut augmenter de plusieurs dizaines de volts lors de la coupure. Cette crête supplémentaire aura une incidence sur le dimensionnement du circuit d’amortissement et pourra également modifier le choix de la résistance de grille. Vous ne réglez plus un commutateur abstrait.

Modélisation des pertes de commutation à l'aide de tableaux d'énergie en fonction de la température

La modélisation des pertes de commutation doit s'appuyer sur des tableaux indiquant l'énergie de mise en conduction et de coupure en fonction du courant, de la tension, de la résistance de grille et de la température de jonction. Pour les pertes de conduction, il convient d'utiliser la tension à l'état conducteur ou des courbes équivalentes en fonction du courant et de la température. Ces deux éléments vous permettront d'obtenir une première cartographie fiable des pertes pour un convertisseur.

Un composant de 1 200 V intégré à un convertisseur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) commute rarement exactement au point de test indiqué dans la fiche technique. Si les données indiquent une énergie de mise sous tension et de coupure à 600 V, 300 A et 125 °C, votre modèle doit effectuer une mise à l’échelle ou une interpolation à partir de ces valeurs plutôt que de supposer une valeur fixe par transition. La température de jonction influe alors sur le point de fonctionnement suivant, car le silicium plus chaud commute et conduit différemment. Cette boucle met en évidence la marge de refroidissement et les limites de surcharge.

Les formules simples de chevauchement restent utiles lors du dimensionnement initial, mais elles ne tiennent pas compte de la récupération inverse de la diode, de la forme du courant de queue ni des effets de la température. Un modèle de pertes combinant la chute de conduction et des tableaux d’énergie est plus réaliste tout en restant efficace à mettre en œuvre. Vous pouvez superposer un bloc thermique moyen au modèle électrique commuté dès lors que les énergies par impulsion semblent plausibles. Cette approche permet de maintenir l’estimation des pertes en lien direct avec l’événement de commutation réel.

Utiliser des réseaux d'amortissement pour gérer les dépassements de tension

Les réseaux d'amortissement permettent de gérer les pics de tension et de courant générés par les effets parasites ; leur dimensionnement doit donc être adapté à la forme d'onde à laquelle on s'attend réellement. Un réseau d'amortissement qui élimine le dépassement à un point de charge donné peut entraîner une perte de puissance importante à un autre point. Une conception optimale doit trouver le juste équilibre entre l'action de limitation, l'amortissement et l'échauffement des résistances.

Un circuit d'amortissement RC monté en parallèle sur un commutateur en demi-pont s'avère efficace lorsque le principal problème réside dans l'oscillation à haute fréquence due à l'inductance de boucle et à la capacité parasite. Une limiteuse RCD convient aux cas où le dépassement de tension à la coupure nécessite un chemin dégagé vers un condensateur de stockage et une résistance. Chaque choix déplace la contrainte vers un autre point du circuit. Une tension de crête plus faible s'accompagne généralement de pertes plus élevées au niveau du circuit d'amortissement, de composants supplémentaires et d'une charge thermique accrue sur la résistance.

Commencez par définir la fréquence d'oscillation simulée et la tension de crête, puis ajustez la capacité pour ralentir le front perçu par les éléments parasites et la résistance pour amortir l'oscillation. Une configuration à double impulsion permet de visualiser ce phénomène, car le courant de charge reste contrôlé pendant que vous faites varier les valeurs des composants. La conception d'un snubber fonctionne lorsqu'elle est intégrée au modèle de boucle de commutation. Elle échoue lorsqu'elle est traitée comme un simple correctif ajouté une fois les choix de disposition fixés.

Appliquer ce même modèle aux onduleurs de motorisation

Les études sur les variateurs de vitesse pour moteurs nécessitent le même modèle de commutation IGBT que celui utilisé pour les travaux sur les convertisseurs, ainsi que les détails relatifs au moteur, au câblage et à la modulation qui poussent le dispositif dans différents coins de fonctionnement. Les systèmes à moteur représentent plus de 50 % de la consommation électrique du secteur manufacturier américain ; les erreurs liées aux pertes et aux contraintes ont donc une importance tant à l'échelle d'un parc de machines qu'à l'échelle du banc d'essai.

Un câble de moteur long peut réfléchir la tension, augmenter le courant en mode commun et modifier la contrainte de récupération des diodes lors des fronts de modulation de largeur d'impulsion. Le fonctionnement à faible vitesse et couple élevé complique encore la situation, car le courant de phase reste élevé tandis que la fréquence électrique diminue. Ce point de fonctionnement impose une charge thermique aux composants, même lorsque le moteur semble tourner lentement. Un modèle couplant le variateur à la machine et au câble mettra clairement en évidence cette inadéquation.

Les entraînements électriques montrent également comment les chiffres moyens de pertes peuvent masquer des contraintes locales. Le freinage par récupération, les variations de charge par paliers et l’affaiblissement de champ font tous passer le dispositif par différentes combinaisons de courant et de tension. Il est recommandé d’utiliser les mêmes tableaux de pertes, les mêmes temps de commutation et le même réseau parasite que ceux utilisés dans les études sur les convertisseurs. La seule différence réside dans le fait que le modèle de charge est désormais suffisamment détaillé pour faire fonctionner le variateur de la même manière que le fera l’application.

Vérifier dès le début la conformité des formes d'onde de commutation simulées par rapport aux mesures effectuées sur banc d'essai

« Un modèle que vous pouvez remettre en question, ajuster et vérifier permettra de s'assurer que votre circuit d'amortissement, votre système de refroidissement et la marge de votre dispositif reposent tous sur les mêmes données factuelles. »

La validation consiste à comparer les formes d'onde de commutation mesurées et simulées avant de se fier au modèle pour déterminer les valeurs des amortisseurs, la marge de refroidissement ou le choix des composants. Comparez la tension collecteur-émetteur, le courant de collecteur, la tension de grille et la fréquence d'oscillation obtenues à partir d'un même montage d'essai. Si ces courbes concordent, le modèle guidera le travail de conception au lieu de le fausser.

Un test à double impulsion constitue la méthode de vérification la plus précise, car il permet d’isoler un événement unique d’activation et de désactivation à un courant et une tension de bus connus. L’étape suivante consiste à tester une branche d’onduleur soumise à une modulation de largeur d’impulsion (PWM), car le temps mort et la récupération alternée des diodes entrent alors en jeu. De légers écarts sont normaux autour de la bande passante de la sonde et des parasites du boîtier. Les écarts importants sont généralement dus à une inductance manquante, à une résistance de grille erronée ou à une mise à l’échelle des pertes par rapport à une valeur indiquée dans la fiche technique.

Une bonne conception de convertisseur repose sur des modèles qui permettent d'identifier suffisamment tôt les pertes et les contraintes pour modifier le matériel avant que les plans ne soient définitivement arrêtés. C'est pourquoi des outils transparents sont plus importants que des blocs idéaux perfectionnés. SPS SOFTWARE est la solution idéale lorsque vous avez besoin de modèles de commutation vérifiables qui restent fidèles au circuit que vous allez construire.