Analyse du comportement dynamique de l’IGBT équipant le module de puissance du

Nous allons illustrer cette analyse en observant les formes d’ondes obtenues avec un module de puissance ONIX850DPL3, pour un point de fonctionnement. Ce module est équipé de packs IGBT MITSUBISHI 1700V 2x800A (CM800DZ-34H-205). Pour effectuer ces essais, nous allons faire commuter une seule cellule de commutation de cet onduleur triphasé dans un montage hacheur sur charge inductive, en y appliquant une commande spécificique générant un motif dit « simple-pulse » ou « double-pulse ».

V.3.1 Analyse de l’amorçage de l’IGBT

Un exemple de résultat obtenu lors de l’amorçage de l’IGBT est présenté sur la Figure 18. Il s’agit d’un essai réalisé avec une tension de 750V, un courant de 750A et une température ambiante (T=25°C). La vitesse de commutation en courant peut être contrôlée par l’intermédiaire d’une résistance de grille présente sur l’allumeur. L’ordre de grandeur du dIce_ON/dt se situe à environ 2kA/µs. D’autre part, nous observons que la tension VCE diminue rapidement au début du « plateau » de la tension de grille VGE, puis décroit lentement à cause de l’augmentation de la capacité CGC (effet Miller). De plus, l’influence de l’inductance de la boucle de la cellule de commutation se traduit par un palier en tension lors de la commutation en courant (ici, le palier ∆Vce vaut environ 160V). Le dépassement du courant que nous observons est lié au blocage de la diode de roue libre qui présente un courant de recouvrement inverse (pour plus de détail voir la partie V.3.3).

OND1 +HT1 -HT1 L11 L12 L13 HACH1 BC1+ BC1-OND2 +HT2 -HT2 L21 L22 L23 HACH2 BC2+ BC2-Masse (chassis) Masse (chassis) Cfiltre Rdéch R C Cfiltre Rdéch R C I+ I-Iph_x BC+ BC-I+ I-Iph_x BC+ BC-IL+ IL-OPTION : Busbar de liaison

Figure 18 - Amorçage de l’IGBT MITSUBISHI 1700V 2x800A (CM800DZ-34H-205), pour une tension de 750V et un courant de 750A, à température ambiante.

V.3.2 Analyse du blocage de l’IGBT

Un exemple de résultat obtenu lors du blocage de l’IGBT est présenté sur la Figure 19. Il s’agit d’un essai réalisé avec une tension de 750V, un courant de 750A et une température ambiante (T=25°C). La vitesse de commutation en tension est contrôlée par l’intermédiaire d’une résistance de grille présente sur l’allumeur. L’ordre de grandeur du dVce_OFF/dt se situe autour de 3kV/µs. L’ordre de grandeur du dIce_OFF/dt se situe à environ 3kA/µs. D’autre part, nous constatons que la tension VCE

augmente doucement au début du « plateau » de la tension de grille VGE, puis plus rapidement à cause de la diminution de la capacité CGC (effet Miller). Nous observons aussi une surtension qui est liée à l’inductance de la boucle de la cellule de commutation lors de la commutation en courant (ici, Vce_max

= 975,4V). Il est important de minimiser cette inductance de boucle pour permettre à la tension de ne pas dépasser la valeur maximale lié au calibre du composant. D’autre part, ces relevés font apparaître un phénomène intrinsèque à la structure du composant qui est la queue de courant. Lors de l’ouverture du composant IGBT, la partie MOSFET du composant commence à s’ouvrir jusqu’à ce que la tension grille-source atteigne la tension de seuil. Nous n’avons plus de courant d’électrons, le canal du MOSFET est complètement fermé. A ce stade, une grande partie du courant a été coupé de manière rapide (ouverture du MOSFET). Les charges stockées dans la base N- conduisent à une lente décroissance du courant (ouverture de la partie bipolaire), jusqu’à la recombinaison complète. Le seuil de courant où commence la partie « queue de courant » est nommé : itail. Ce courant itail dépend notamment de la structure de l’IGBT. Dans notre exemple, il s’agit d’un composant de type Planar PT (3ème génération de chez MITSUBISHI), le courant itail correspond à un peu moins de 20% du courant total commuté.

Figure 19 - Blocage de l’IGBT MITSUBISHI 1700V 2x800A (CM800DZ-34H-205), pour une tension de 750V et un courant de 750A, à température ambiante.

V.3.3 Analyse du blocage de la diode en antiparallèle de l’IGBT

Le blocage de la diode en antiparallèle de l’IGBT (interrupteur du haut de la cellule de commutation) a lieu pendant l’amorçage de l’IGBT (interrupteur du bas de la cellule de commutation). La Figure 20 présente un exemple d’un blocage de la diode en antiparallèle de l’IGBT. Il s’agit de point réalisé avec une tension de 750V, un courant de 750A et une température ambiante (T=25°C).

Figure 20 - Blocage de la diode en antiparallèle de l’IGBT MITSUBISHI 1700V 2x800A (CM800DZ-34H-205), pour une tension de 750V et un courant de 750A, à température ambiante.

Le courant dans la diode décroît avec une pente diF/dt imposée par le circuit (IGBT qui s’amorce). Les charges stockées pendant la conduction commencent à se recombiner, la diode reste conductrice pendant le temps ta. Le courant atteint alors la valeur de recouvrement inverse maximum (IRRM). A cet instant, les charges étant pratiquement évacuées, la diode s’ouvre et le courant s’annule, après un temps tb. La vitesse de remontée de ce courant jusqu’à zéro peut s’effectuer plus ou moins rapidement (diR(t)/dt). En effet, nous distinguons deux comportements principaux et différents : le « snap-off recovery » qualifie une diode dont la remontée de courant se fait de manière brutale et le « soft recovery » qualifie une diode dont la remontée de courant se fait de manière douce [18]. Les diodes « snap-off », de par la rapidité de cette remontée de courant, présentent en général moins de pertes au blocage mais en contrepartie génèrent une surtension inverse élevée ainsi que des oscillations de tension et de courant qui peuvent retarder le changement d’état du composant ou encore poser des problèmes de CEM (Compatibilité électromagnétique). Les diodes « soft » en revanche de par leur lenteur présentent plus de pertes au blocage mais subissent moins de surtension inverse. Et enfin, entre ces deux comportements principaux, nous avons le « hard recovery » où les diodes peuvent être plus ou moins rapides. En général, les diodes des packs IGBT sont des diodes « hard recovery ».

La surface hachurée sur la Figure 20 représente la quantité de charges recouvrée que l’on note Qrr. Un critère permet de spécifier le recouvrement d’une diode, il s’agit du facteur S : « softness factor », qui correspond au rapport du temps tb (intrinsèque à la diode) avec le temps ta (subit par la diode et imposé par la commutation de l’IGBT) (1-1).

(1- 1) Avec trr le temps de recouvrement inverse (« reverse recovery time ») (trr = ta + tb).

Remarque : il existe des pertes à l’amorçage de la diode dues à un pic de tension dynamique nommé : « tension de spike » (« forward recovery voltage »). Ce pic de tension est lié à la vitesse d’évolution du courant dans la diode (fixé par l’IGBT lors de son blocage). Mais dans la majorité des cas, ces pertes à l’amorçage de la diode restent négligeables face aux autres pertes de la diode. Dans les bilans des pertes thermiques des packs IGBT, effectués par ALSTOM, ces pertes à l’amorçage de la diode ne sont pas prises en compte.

V.3.4 Bilan des énergies liées aux commutations

La Figure 21 présente un bilan des énergies liées aux commutations en fonction du courant, pour une tension donnée et une température donnée. Ces relevés vont permettre d’extraire des équations polynomiales en fonction de divers paramètres comme le courant commuté, la tension de bus ou encore la température de jonction. Ces équations permettront ensuite de connaître précisément les pertes en commutation du semi-conducteur pour un point de fonctionnement donnée du système. En général, ce type de courbes est tracé pour un courant allant jusqu’à deux fois le courant nominal du module, même si ici nous nous sommes limité au courant nominal. De plus, chez ALSTOM, les équations polynomiales sont prises du 3ème ordre pour le blocage et l’amorçage de l’IGBT et d’un ordre 5 pour le blocage de la diode.

Figure 21 - Exemple de bilan des énergies commutées de l’IGBT MITSUBISHI 1700V 2x800A (CM800DZ-34H-205), pour une tension de 750V et un courant allant de 0 à 800A, à température

ambiante.