Effectuer des tests à double impulsion en simulation avant de construire le matériel

Principaux enseignements

• • La simulation doit définir les conditions d'essai à double impulsion avant la mise sous tension du matériel.

  • Pour obtenir des résultats fiables concernant les pertes de commutation, il est nécessaire de modéliser explicitement la boucle de commutation et la synchronisation des impulsions.

  • La validation sur banc fournit de meilleurs résultats lorsque le modèle explique déjà le comportement attendu de la forme d'onde.

Effectuer d'abord un test à double impulsion en simulation permettra d'économiser du matériel, du temps et d'éviter les faux départs sur le banc d'essai.

Il est plus facile de se fier aux valeurs d'énergie de commutation, de dépassement et de pente de courant lorsqu'on les étudie avant que les sondes, les fixations et le bruit lié à la disposition ne viennent fausser les résultats. Les ventes de voitures électriques ont dépassé 17 millions en 2024, ce qui maintient la pression sur le rendement des convertisseurs et la mesure des pertes des semi-conducteurs au sein des équipes de conception. Cette pression se fait sentir bien avant que le matériel final n’existe. Un modèle de simulation propre vous permet de tester l’événement de commutation souhaité dans les conditions de grille, de bus et de charge que vous prévoyez de commercialiser.

Un test à double impulsion sur banc d'essai reste pertinent, mais il est particulièrement utile à des fins de confirmation. Vous optimisez votre temps passé en laboratoire lorsque votre courant cible, votre temps mort, votre inductance parasite et vos fenêtres de mesure sont déjà définis. Cette séquence permet d'éviter les échecs évitables et vous offre dès le départ de meilleures estimations de l'énergie de mise sous tension et de coupure. Les équipes qui commencent par la modélisation abordent ensuite le matériel avec des questions qui se limitent à la conception, au conditionnement et à la précision des mesures.

Un test à double impulsion permet d'isoler une transition de commutation

Un essai à double impulsion permet d'isoler un événement de commutation unique dans des conditions de courant et de tension contrôlées. La première impulsion établit le courant souhaité. La deuxième impulsion force le dispositif à effectuer une transition d'activation ou de désactivation. C'est pourquoi cette méthode est la norme pour la caractérisation des pertes de commutation.

Un exemple de demi-pont illustre bien ce principe. On définit une tension de bus, on place une charge inductive dans le circuit de courant et on utilise deux commandes de grille séparées par un temps mort. La première commande fait monter le courant en rampe jusqu’à une valeur choisie, par exemple 100 A. La seconde commande permet de capturer l’événement de commutation qui importe, au lieu de le noyer dans une modulation de largeur d’impulsion continue.

On obtient ainsi des formes d'onde qui apportent des réponses à des questions concrètes. On peut voir l'amplitude du dépassement de tension, la pente de la courbe de courant et la durée du chevauchement entre la tension et le courant. De nombreuses équipes abrègent ce nom en « DPT », et certaines parlent encore de « test DPT », mais le principe reste le même. Il s'agit d'isoler un événement précis afin que l'énergie mesurée ait une signification.

La simulation permet de configurer le test avant la mise en place du matériel de laboratoire

La simulation d'un test à double impulsion transforme le schéma de banc d'essai en un problème physique que vous pouvez analyser avant toute mise sous tension. Vous commencez par choisir la tension du bus, l'inductance de la boucle, la résistance de la grille et la largeur des impulsions. Cela vous offre un point de départ stable. Cela permet également d'identifier les points de fragilité de la configuration du banc d'essai.

Une configuration de simulation simple reflète souvent le montage final. Vous y placez un dispositif de commutation, son circuit de roue libre, un condensateur de liaison CC, une charge inductive et une séquence de commande de gâchette. Un dispositif de 650 V sur un bus de 800 V avec une charge de 200 µH permettra de vérifier si les largeurs d’impulsion permettent d’atteindre le courant cible et si le temps mort évite tout chevauchement.

• Une source de courant continu équipée d'un condensateur de liaison local détermine la rigidité du bus.
• C'est le modèle de dispositif de commutation, avec sa capacité de sortie, qui détermine la forme de la transition.
• Un circuit de courant inductif définit la rampe de courant avant la deuxième impulsion.
• Un réseau de portes avec synchronisation par impulsions définit la séquence de commutation.
• La résistance et l'inductance parasites provoquent un dépassement de consigne et un phénomène d'oscillation

Cette étape est importante, car les essais sur banc de mesure peuvent s'avérer coûteux dès lors que l'on commence à avancer à tâtons. Une impulsion qui semblait inoffensive sur le papier peut entraîner une surcharge de courant ou provoquer des oscillations parasites au niveau du montage. Le fait de résoudre ces problèmes dans un modèle permet de rester concentré lors de la première session de tests matériels. Vous n'utilisez plus le banc de mesure pour mettre au point les bases des tests.

Le modèle de boucle de commutation détermine la fiabilité de la forme d'onde

Le modèle de boucle de commutation permet de déterminer si les formes d'onde simulées sont fiables. L'inductance et la résistance parasites influencent le dépassement, l'oscillation résiduelle et la pente du courant pendant la transition. La capacité de sortie et la récupération des diodes jouent également un rôle important. 

« Un modèle qui ne tient pas compte de ces paramètres produira des formes d'onde nettes, mais des valeurs de perte erronées. »

Un petit exemple chiffré permet d’illustrer pourquoi. Une inductance de boucle de 20 nH associée à une pente de courant de 2,5 kA/µs génère un dépassement supplémentaire d’environ 50 V. Le logiciel SPS SOFTWARE affiche ces éléments parasites sous forme d’éléments de modèle explicites, ce qui vous permet de les ajuster et d’observer les modifications qui en résultent sur la forme d’onde. C’est bien plus utile que de considérer la branche de commutation comme une « boîte noire » hermétique.

Il n'est pas nécessaire que l'extraction des données soit parfaite pour en tirer de la valeur. Il suffit d'un modèle suffisamment détaillé pour reproduire les caractéristiques de la forme d'onde qui influent sur l'énergie et la contrainte. La fréquence d'oscillation résiduelle, la tension de crête, la queue de courant et les pics de récupération des diodes sont les caractéristiques qu'il convient de reproduire en priorité. Une fois celles-ci bien reproduites, le modèle commence à faire office de filtre préliminaire permettant d'écarter les hypothèses erronées.

La première impulsion définit le courant de consigne

La première impulsion sert à précharger le courant de l'inductance à un niveau connu avant la transition mesurée. Sa largeur est déterminée par la tension du bus et l'inductance de la charge. Cela permet de prédire la valeur cible du courant. C'est grâce à un bon ciblage du courant que la deuxième impulsion devient un test pertinent des pertes de commutation.

Une estimation simple peut être obtenue à partir de la relation de montée du courant. Avec une tension de 400 V aux bornes d'une inductance de 200 µH, le courant augmente d'environ 2 A/µs ; ainsi, une première impulsion de 50 µs atteint près de 100 A si la chute de tension résistive est faible. Cette estimation vous donne une largeur de départ avant d'affiner le modèle. Vous pouvez ensuite ajuster l'impulsion jusqu'à ce que le courant se stabilise exactement au point de test souhaité.

Si l'on se trompe sur cette impulsion, tout ce qui suit s'en trouve faussé. Une valeur cible de courant trop faible sous-estimera l'énergie de mise sous tension. Une impulsion trop longue chauffera le dispositif et éloignera le résultat de la condition que l'on souhaitait étudier. La simulation permet d'affiner cette première impulsion avant même que le matériel ne soit alimenté en courant.

La deuxième impulsion détecte l'événement de commutation

La deuxième impulsion crée la transition qui vous intéresse une fois que le courant circule déjà. Son timing détermine quel dispositif s'active ou se désactive en condition de charge. Le temps mort définit le chemin de conduction initial. C'est cette séquence qui rend le test à double impulsion utile pour l'étude des pertes de commutation.

Dans un cas courant, la première impulsion sert à établir un courant dans le chemin du dispositif inférieur. Le temps mort transfère ensuite ce courant vers la diode opposée ou le chemin du corps. Lorsque la deuxième impulsion commande à nouveau la mise en conduction du dispositif inférieur, on capture la mise en conduction avec la récupération de la diode, la décharge de la capacité de sortie et l'inductance de boucle, toutes présentes. Un choix de synchronisation différent peut, à la place, permettre à la deuxième impulsion de capturer la mise hors conduction au même niveau de courant.

Vous ne vous contentez pas de rechercher une trace de porte propre. Vous vérifiez que le chemin de conduction situé immédiatement avant la deuxième impulsion correspond bien à l'événement que vous souhaitez mesurer. Si un mauvais chemin conduit le courant, vos formes d'onde auront toujours l'air chargées, mais l'énergie extraite décrira une transition différente. C'est la rigueur temporelle qui garantit la fiabilité du test.

Les formes d'onde mesurées révèlent la contrainte de commutation pendant l'intervalle de commutation

Les formes d'onde importantes du test à double impulsion sont la tension du dispositif, le courant du dispositif et le signal de grille tout au long de l'intervalle de commutation. Ces courbes indiquent où l'énergie est perdue et où les contraintes électriques atteignent leur maximum. Elles permettent également de déterminer si le modèle ne tient pas compte de certains effets parasites. Une bonne interprétation est plus utile qu'un simple tracé lisse.

Un pic de courant ascendant associé à une chute de tension retardée indique généralement un effet de récupération de diode ou une inductance de boucle supplémentaire. Plusieurs cycles d’oscillation après la transition signifient souvent que la boucle de bus et la capacité de sortie sont mal adaptées dans le modèle. Plus de 80 % de l’électricité transite déjà par les composants électroniques de puissance au moins une fois avant d’être utilisée ; ainsi, de petites erreurs d’analyse des formes d’onde peuvent se traduire par des estimations d’efficacité erronées à l’échelle de vastes flottes. C’est pourquoi l’analyse des formes d’onde est bien plus qu’une simple compétence de laboratoire. C’est un critère de conception.

Ces indices vous permettent de corriger le modèle avant même de brancher la moindre sonde. Ils vous indiquent également les points à surveiller par la suite lors des essais en laboratoire. Si votre simulation révèle une forte sensibilité au dépassement de quelques nanohenries, vous saurez que la conception du circuit et le placement des sondes méritent une attention particulière. Ce type de préparation raccourcit le chemin entre l'acquisition des formes d'onde et la formulation d'un avis technique pertinent.

Des intégrations distinctes confèrent à chaque commutation une valeur énergétique

L'énergie de mise sous tension et l'énergie de mise hors tension sont obtenues à partir d'intégrations distinctes du produit de la tension du dispositif par son courant, pour chaque événement. La fenêtre d'intégration doit couvrir l'intervalle de chevauchement et s'arrêter avant que les oscillations ultérieures ne dominent le résultat. Cela permet de garantir que chaque valeur d'énergie correspond bien à une seule transition. La précision des fenêtres d'intégration est tout aussi importante que celle des graphiques.

Une fenêtre pratique commence juste avant que la tension du dispositif ne commence à varier et se termine une fois que le courant et la tension se sont suffisamment stabilisés pour qu’il ne reste plus qu’un oscillat de faible énergie. Dans le cas d’une mise sous tension, la fenêtre peut s’ouvrir 20 ns avant que le courant n’augmente et se fermer après l’effondrement principal de la tension. Dans le cas d’une mise hors tension, la fenêtre sera différente, car la queue du courant et le dépassement de tension se produisent dans un ordre différent. Il est préférable de calculer chaque événement séparément plutôt que de commencer par faire une moyenne et de se poser des questions par la suite.

C'est là que la simulation prend tout son sens. Vous pouvez examiner les contraintes de temps, comparer la consommation d'énergie à différents points du circuit et observer comment la résistance de la grille influe sur le résultat. Si vos pertes à l'activation augmentent fortement à la moindre variation de la grille, vous avez identifié une variable de conception sensible avant même que le matériel ne vous fasse perdre du temps. 

« L'utilisation d'un banc d'essai est particulièrement efficace lorsqu'elle permet de répondre à une série restreinte de questions, plutôt que de définir l'ensemble du test à partir de zéro. »

La validation sur banc commence dès que la simulation correspond au comportement attendu

La validation au banc ne doit débuter qu’une fois que l’essai simulé à double impulsion reproduit le comportement de commutation attendu du dispositif et du boîtier. Cela signifie que les valeurs cibles de courant, les tendances de dépassement, la fréquence d’oscillation et les plages d’énergie sont déjà cohérentes. Le temps passé au banc est le plus efficace lorsqu’il permet de répondre à une courte liste de questions plutôt que de définir l’ensemble de l’essai à partir de zéro. 

Un processus rigoureux est simple. Il suffit d’adapter le modèle à la topologie souhaitée, d’ajuster les paramètres parasites jusqu’à ce que les formes d’onde semblent plausibles, puis de passer au matériel avec le placement des sondes et les cibles de courant déjà définis. Le logiciel SPS s’intègre parfaitement à ce flux de travail, car la transition de commutation reste suffisamment transparente pour vous permettre d’inspecter le comportement de chaque élément du modèle. L’intérêt est d’arriver au banc d’essai avec un test que vous comprenez.

C'est là le constat qu'il convient de retenir. Les tests à double impulsion ont leur place en laboratoire, mais ils ne doivent pas s'y limiter. La simulation transforme une première expérience risquée en une étape de validation ciblée. Vous préservez davantage d'appareils, vous passez moins de semaines à corriger des erreurs de configuration évitables, et vous obtenez des chiffres relatifs à la mise sous tension et hors tension dans un contexte bien plus riche.