[APPLICATION MICROCHIP] La nouvelle technologie des circuits IGBT - insulated-gate bipolar transistor pour transistor bipolaire à grille isolée - à savoir les IGBT7 affichent par rapport à ses devancières des différences au niveau des caractéristiques du composant, comme une tension directe plus faible, des courants nominaux plus élevés, une capacité de surcharge à 175 °C, un meilleur contrôle de l’échelon dv/dt et une diode Flyback améliorée. Associée à un boîtier à faible inductance l’IGBT7 procure facilité d’utilisation, robustesse améliorée, densités de puissance plus fortes et efficacité améliorée. Explications détaillée de Microchip.

Auteur : Amit Gole

Responsable marketing produit, département des solutions d'alimentation intégrées

Microchip Technology

Les transistors IGBT sont des atouts puissants pour de nombreuses applications d’électronique de puissance, y compris les convertisseurs d’énergie, les onduleurs et les hacheurs. Les IGBT sont largement utilisés dans les systèmes et équipements alimentés par le secteur, avec des performances de commutation moyenne ou haute tension à partir de quelques kW jusqu’à plusieurs Mega Watts. 

Les modules de puissance IGBT sont donc devenus des composants essentiels dans l’électronique de puissance contemporaine. La septième génération de modules de puissance IGBT est désormais disponible, déclinée en sept boîtiers sous différentes références.

Ces composants intègrent une tension VF et une tension VCE (sat) plus faibles, une capacité de surcharge à TJ 175 °C, une capacité de courant plus élevée de 50 %, une contrôlabilité dv/dt améliorée, une douceur FWD améliorée et un pilotage plus simple par rapport aux générations précédentes.

Des caractéristiques qui constituent une valeur ajoutée en termes de densité de puissance, durabilité, coûts systèmes, efficacité, facilité d'utilisation et délais de commercialisation.

Un portefeuille élargi pour l’IGBT7

Les modules de puissance IGBT sont disponibles en boîtiers standard de 62 mm pour des montages en demi-pont (ou bras de phase) en boîtier D3 et en configuration simple commutateur en boîtiers D4.

A ce niveau Microchip propose des boîtiers faible inductance/profil bas de 62 mm, comme les SP6C, SP6P et SP6LI, qui affichent une hauteur de profil réduite et une inductance de boîtier plus faible tout en permettant une forte densité de puissance et une haute fiabilité.

Des niveaux de puissance plus faibles peuvent être atteints grâce à des boîtiers plus petits, comme les SP1F et SP3F, qui sont également des boîtiers profil bas disponibles selon différentes configurations. Ils sont disponibles avec des tensions nominales de 900 A, 1200 V et 1700 V.

Grâce à une tension à l’état passant 15 à 20 % plus faible, les pertes sont réduites significativement y compris pour les applications à fréquence de commutation moyenne, tandis que les pertes de conduction à la limitation dv/dt donnée sont diminuées, tout comme la perte des diodes placées en antiparallèle.

Les pertes de conduction des IGBT sont directement proportionnelles à la tension VCE (sat) de la technologie IGBT. La réduction de la tension VCE (sat) diminue donc les pertes de conduction de façon significative ce qui à son tour améliore l’efficacité du convertisseur.

Exemple de comparaison entre les spécifications de tension VCE (sat) IGBT4 et IGBT7

La température de jonction maximale de ces circuits atteint désormais 175 °C, contre 150 °C pour l’IGBT4, ce qui est essentiel pour les entraînements de moteurs soumis à des surcharges répétitives de courte durée. Les modules de puissance IGBT7 sont donc conçus pour les applications complexes en raison de cette température de jonction en condition de surcharge, une amélioration de 25 °C par rapport aux IGBT4 qui entraîne non seulement des avantages en termes de fiabilité et de durabilité de l’onduleur de l’entraînement, mais peut également apporter des avantages économiques grâce à au rapport coût/efficacité de l’IGBT7.

Comparaison de la température de jonction maximale entre l’IGBT7 et les générations précédentes d’IGBT

 

Rappelons que les pilotes de moteur d’onduleurs sont utilisés dans de nombreuses applications, comme les véhicules commerciaux et agricoles, les installations industrielles et l’industrie ferroviaire, où il est important de supporter la surcharge de courte durée. Il en va de même pour les applications comme les alimentations sans interruption (UPS), pour lesquelles les surcharges de courte durée s’avèrent critiques pour les spécifications de puissance.

Une contrôlabilité améliorée pour le dv/dt

Les onduleurs utilisés pour piloter un moteur utilisent des signaux de modulation d’impulsion (PWM, Pulse-Width Modulation) pour produire des formes d’ondes de tension de sortie sinusoïdales. Ce temps de montée d’impulsions plus élevé des commutations, causé par la fréquence de commutation, entraîne un dv/dt élevé, ce qui est renforcé par les longs câbles utilisés dans l’application d’entraînement du moteur entre l’onduleur et le moteur, provoquant des tensions de crête plus élevées précisément aux bornes du moteur.

Plus les câbles du moteur sont longs, plus les dépassements de tension sont élevés, avec des valeurs de crête jusqu’à 5 fois supérieures à la tension de fonctionnement du système (> 200 V pour des systèmes de 415 V). Les pics de tension élevés peuvent alors entraîner une rupture de l'isolation, ce qui se traduit par des courts-circuits entre phases ou entre tours, avec des déclenchements de surintensité ultérieurs par le capteur de l’entraînement.

C’est pourquoi les fabricants de moteurs recommandent fermement de ne pas dépasser l'échelon dv/dt de 5 kV/µs aux bornes de l’onduleur dans le pire des cas pour des moteurs triphasés avec des tensions habituellement de 380/415/440 VAC.

Il est important aussi d'optimiser l’échelon de tension dv/dt en fonction des exigences d'isolation du moteur lors de la conception de l'entraînement industriel à usage général. Pour permettre cette optimisation, l’IGBT7 affiche les plus hauts niveaux de perfection en matière de contrôle de la capacité de l’onduleur à changer le dv/dt en ajustant la résistance de la grille (Rg).

La capacité CGE (Gate Emmiter, grille-émetteur) et la capacité CGC (Gate Collector, grille-collecteur) sont en outre équilibrées pour laisser à l’IGBT le contrôle total sur le dv/dt, et pour optimiser la forme d’onde de commutation. 

La CGE est conçue pour éviter les effets parasites à l’allumage, de sorte que l'alimentation nulle pour l’extinction soit possible (alimentation de pilote de grille unipolaire).

La puce IGBT7 possède ainis de façon intrinsèque plus de capacités de courant que la génération précédente IGBT4. Elle dispose notamment d’une puissance de sortie supérieure pour les empreintes données, entraînant un changement de la hauteur d’axe, ce qui implique qu’une hauteur d’axe moindre peut être utilisée pour en remplacer des plus hautes.

La densité de puissance globale est donc aussi augmentée, car davantage de puissance peut être condensée dans une zone donnée, ce qui évite de mettre en parallèle de nombreux commutateurs, réduit la complexité et améliore la fiabilité et la durabilité.

Cette densité de puissance plus élevée réduit les coûts de nomenclature pour le système d'alimentation, et permet d’accélérer les délais de commercialisation.

Vers une inductance plus faible des boîtiers

Les boîtiers de Microchip à faible inductance parasite réduisent les dépassements de tension, améliorant la durabilité et la fiabilité. Le profil bas permet d’encapsuler davantage de puissance dans moins de volume, ce qui améliore la densité de puissance lors d’une utilisation avec la technologie IGBT7 (voir ci-dessous).

Les caractéristiques de l’IGBT7 et les avantages dont bénéficient ses utilisateurs rendent ces modules de puissance idéaux pour de nombreuses applications ou mégatendances, pour des applications à fréquence de commutation faible ou moyenne.

La facilité d'utilisation sans aucune complexité dans le mécanisme de pilotage de la grille fait de la conception un véritable jeu d’enfant et rend inutile la conception de nouveaux pilotes. Les différentes topologies peuvent être utilisées immédiatement comme éléments de base de convertisseur pour de nombreuses applications, offrant une conception plus flexible et accélérant les délais de commercialisation.

Références : https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/cable-length-vfd-motors

https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1

Application Manual Power Semiconductors (Semikron) TRENCHSTOP™ 1200 V IGBT7 T7

Application Note (Infineon) (AN2018-14) Amit’s Tech Corner, Microchip Aviation and Defense Newsletter Edition 23 Dec 2024