Essais de court-circuit préliminaires

2.8.1.1 Court-circuit de type I

Afin de connaître le comportement en court-circuit de chaque module IGBT, nous avons procédé à différents essais sur une maquette développée par P. Baudesson lors de sa thèse [Baudesson]. Cette maquette se compose d’un PCB de type busbar développé pour deux IGBT discrets de forte puissance et d’un condensateur plastique de faible valeur (afin de limiter l’énergie dissipée dans le court-circuit) Le montage est alimenté par une source de tension continue réglable. Cette maquette a été adaptée à nos composants, et nous a permis d’obtenir les résultats suivants.

Le court-circuit de type I est obtenu de la manière suivante : la cellule de commutation est alimentée sous une tension pré-définie et un des interrupteurs de puissance est passant de manière permanente. Le court-circuit se produit lorsque l’autre interrupteur du bras est à son tour commandé à la fermeture. La figure II.37 nous donne les formes d’ondes observées durant un court-circuit de type I avec les deux technologies de puce IGBT.

Les conditions ce ces essais sont les suivantes :

Tension du bus continu

200V pour le module Eupec 150V pour le module Mitsubishi

Inductance de la maille

de court-circuit 76 nH Température des

puces Ambiante (25°C) Capacité du bus continu 100µF

Tension de grille +/- 15V Résistance de grille 12 Ω à l’amorçage 6 Ω au blocage Mesure de courant TI en cascade, rapport 1/1200

Tableau II.5 : conditions expérimentales pour les essais en court-circuit de type I

Circuit de verrouillage du driver Circuits d’attaque de grille

(a)

courant de court-circuit : 240A tension d’alimentation : 200V

(b)

courant de court-circuit : 180A tension d’alimentation : 150V Temps de détection : 5µs

Figure II.37 : essais en court-circuit de type I avec un module Eupec (a) et un module Mitsubishi (b)

On retrouve bien les formes d’ondes classiques d’un court-circuit de type I, avec quelques différences liées à la technologie des puces. On observe un comportement spécial pour le module Mitsubishi. Ce module est composé de puces PT qui possèdent, entre autre, une transconductance élevée et donc, pour une tension de grille donnée, un courant de court-circuit important [Kraus2]. C’est à cause de ceci que le fabriquant a ajouté un dispositif de limitation du courant de court-circuit [Iwamoto]. Ce dispositif est représenté sur la figure II.38 et s’appuie sur une mesure du courant de la puce IGBT grâce à un émetteur auxiliaire (émetteur miroir de courant). Si le courant devient trop important (≥ à 200A), ce dispositif limite la tension de grille à 11V. On peut observer que cette protection fonctionne parfaitement bien dans le cas du court-circuit de type I. Circuit RTC Grille Emetteur Collecteur Emetteur miroir de courant Puce IGBT

Figure II.38 : vue de dessus d’une puce du module Mitsubishi et circuit de limitation du courant de court-circuit

On voit sur ces deux essais que lors de la coupure du court-circuit, une violente surtension apparaît. Cette surtension est de l’ordre d’une fois la tension de bus. Pour des tensions de bus élevées, cette surtension peut provoquer le claquage de la jonction du composant coupant le court-circuit. Dans ce cas là, le court- circuit de type I se transforme en type II, subi par l’autre interrupteur (cf. AMDEC présenté paragraphe 2.5). Dans ces conditions, il sera très difficile de diagnostiquer le premier défaut apparu. C’est pour cette raison qu’il faut limiter cette surtension.

Courant de court-circuit Tension de grille de l’IGBT

provoquant le défaut

Tension aux bornes de l’IGBT subissant le défaut Tension aux bornes de l’IGBT provoquant le défaut

2.8.1.2 Court-circuit de type II

Nous avons aussi effectué des essais en court-circuit de type II sur la même maquette. Durant ces essais, nous avons placé une diode transil en parallèle avec un des interrupteurs de puissance de la cellule de commutation, afin de “simuler” le claquage par surtension d’une jonction. Ce pseudo-claquage est obtenu en augmentant progressivement la tension d’alimentation du montage. L’interrupteur qui subit le défaut et passant en permanence et doit stopper le court-circuit. La figure II.39 représente le résultat de ces essais menés sur les deux technologies de module IGBT.

(a)

courant de court-circuit : 290A tension d’alimentation : 200V

(b)

courant de court-circuit : 480A tension d’alimentation : 150V Temps de détection : 2µs

Figure II.39 : essais en court-circuit de type II avec un module Eupec (a) et un module Mitsubishi (b)

les conditions de ces essais sont les suivantes :

Module Eupec Module Mitsubishi

Calibre des diodes transil

150V 100V

Tension du bus continu 200V 150V

Caractéristique du banc de court-circuit

Température des puces Ambiante (25°C) Capacité du bus continu 100nF

Tension de grille +/- 15V Résistance de grille 12 Ω à l’amorçage 6 Ω au blocage Mesure de courant TI en cascade, rapport

1/1200

Mesure de tension sonde passive, rapport : X10

Inductance de la maille de court-circuit

76 nH

Tableau II.6 : conditions expérimentales pour les essais en court-circuit de type II

Les formes d’ondes observées durant ces essais sont en accord avec celles présentées sur la figure II.31. L’IGBT qui subit le court-circuit et qui est initialement à l’état passant voit son courant augmenter. Le di/dt lors de l’établissement du courant de court-circuit dépend de la chute de tension aux bornes du composant “cobaye” et de l’inductance de la maille de commutation. Dans notre cas, le composant “cobaye” est une diode transil : quand la tension devient trop importante à ces bornes, elle entre en régime d ‘écrêtage et donc cette tension reste constante, ce qui explique la forme du courant de court-circuit (linéaire).

En ce qui concerne l’essai sur le module Mitsubishi, on constate que le courant de court-circuit est très important (≅ 500A). Ceci est dû à la technologie des puces IGBT choisies par le constructeur (structure PT, Trench Gate). En présence d’un court-circuit de type II, la tension collecteur/émetteur de l’IGBT augmente et, par effet Miller, engendre une augmentation de la tension de grille. Cette tension de grille est plus importante pour le module Mitsubishi (17V). En effet, La technologie Trench Gate engendre des capacités

Courant de court-circuit

tension de grille de l’IGBT subissant le défaut

Tension aux bornes de l’IGBT subissant le défaut Tension aux bornes

parasites très importantes (10 fois plus grande que pour les puces Eupec). Cette augmentation de tension va dans le sens d’une augmentation du courant de désaturation (donc du courant de court-circuit) de l’IGBT.

De manière générale, on constate que la protection sur l’interrupteur sain agit juste avant sa désaturation. Malgré tout, une forte surtension apparaît aux bornes de cet interrupteur. Comme précédemment, avec une tension d’alimentation plus importante, cette surtension peut provoquer le claquage de l’interrupteur. Ce qui diffère du cas précédent, c’est que ce court-circuit de type II peut se transformer en court-circuit “permanent” de bras : aucune puce ne peut limiter le courant de court-circuit et surtout aucune puce ne peut couper ce court-circuit. Dans ce cas, seule une protection par fusible ou une fusion de la connectique de puissance peut protéger le montage contre une explosion du module IGBT. La protection de l’interrupteur qui subit le défaut est primordiale dans ce cas, afin de protéger la cellule de commutation et de pouvoir procéder à un diagnostic de la défaillance. C’est sur cette protection que va porter la suite de ce travail