Influence de l’inductance commune puissance et commande sur la commutation du

L’inductance commune puissance et commande n’est pas facile à prendre en compte car en pratique, il s’agit d’une inductance interne au pack dont les valeurs sont souvent difficiles à mesurer. Malgré tout si nous plaçons cette inductance sur notre schéma de simulation défini à la Figure 12 nous obtenons les résultats présentés à la Figure 19. Ces résultats nous montrent l’importance de cette inductance commune et la nécessité de la maîtriser le mieux possible.

Pour l’ouverture du MOSFET, l’inductance commune a un fort impact lors de la phase 3, où s’opère la commutation en courant. En effet, le courant dans le MOSFET décroît, ce qui provoque une chute de tension aux bornes de cette inductance commune. Cette tension s’oppose à la tension de commande ce qui a pour effet de ralentir la chute de la tension Vgs. La commutation en courant est ainsi ralentie. De plus, cette inductance amène une oscillation (Lcommune et capacités parasites) de la tension Vgs qui est amortie par la résistance de grille. Cette oscillation se retrouve donc sur la commutation en courant par le lien de la transconductance. Or, l’oscillation du courant lors de la

commutation peut entrainer une augmentation des fronts de courants qui ont pour effet d’accroître la surtension (sur le 1er pic de tension), voire même de déplacer la valeur maximale de la tension sur les pics suivants. Dans notre simulation, ce phénomène n’apparaît pas, mais il est visible lorsque la résistance de grille RgOFF totale diminue fortement. Ce point est donc très critique et peut vraiment poser des problèmes de détérioration du composant par dépassement de sa tension de claquage.

En maîtrisant la valeur de l’inductance commune, nous constatons que le ralentissement de la commutation en courant peut être bénéfique puisqu’il permet de diminuer la surtension au blocage du composant. En contrepartie, nous avons une augmentation importante des pertes lors du blocage et de l’amorçage du composant (lié à l’augmentation des temps de commutation du courant). Nous pouvons donc dire que cet effet positif sur la diminution de la surtension n’est pas forcément des plus bénéfiques puisque, d’une part, il est obtenu par une augmentation de l’inductance de boucle de puissance et, d’autre part, il conduit à une augmentation des temps de commutation (ON et OFF) et à un risque accru d’augmenter les oscillations pour de fortes valeurs d’inductances et des faibles amortissements (résistance de grille du côté commande).

Lors de l’amorçage du MOSFET, l’inductance commune a un fort impact lors de la phase 2, où s’effectue la commutation en courant. En effet, comme pour l’inductance de la boucle de puissance, l’inductance commune va ralentir la commutation en courant et ainsi augmenter les pertes à l’amorçage. D’autre part, une oscillation peut apparaître sur la boucle de commande, dans ce cas cette oscillation se répercute sur la commutation en courant qui conduit à une oscillation de la tension Vds. Cette oscillation de tension durant la phase 2 conduit à des dépassements de la tension commutée et ceci malgré la chute de tension amenée par l’inductance de boucle de puissance. Ce point est très critique et peut vraiment poser des problèmes de détérioration du composant par dépassement de sa tension limite. Dans notre simulation, ce phénomène apparaît à partir d’une valeur d’inductance commune de 30nH.

D’autre part, nous avons une différence assez importante entre la tension Vgs mesurée aux bornes de la puce et la tension Vgs mesurée aux bornes du module. Ce point va nous poser beaucoup de problème en pratique puisqu’il nous sera difficile de savoir qu’elle est la tension réelle aux bornes de la puce par une simple mesure de la tension Vgs aux bornes du module. La difficulté étant encore plus grande puisque le module est composé de plusieurs puces en parallèle n’ayant pas forcément les mêmes circuits inductifs. Il est donc important d’éviter systématiquement cette inductance commune puissance-commande dans la mesure du possible en privilégiant par exemple des reports des sources sur un circuit spécifique pour la commande.

Dans le cas d’un besoin de diminution de la surtension tout en minimisant les pertes en commutation, il sera plus intéressant d’accroître la valeur de la résistance de grille plutôt que d’augmenter l’inductance commune puissance-commande. Même si cette inductance commune semble apparaître comme un levier pour ralentir la commutation en courant et ainsi diminuer la surtension au blocage, il est préférable de modifier la tension de commande ou la résistance de grille, plutôt que de changer la valeur de cette inductance commune, qui n’est pas facile en pratique à modifier et qui peut être source de dysfonctionnement. De plus, le levier de la résistance de grille permet de régler indépendamment la vitesse de commutation au blocage et à l’amorçage et ainsi limiter l’augmentation des pertes.

Par ailleurs, lors de mise en parallèle des puces élémentaires dans un pack, la maîtrise et l’équilibrage de ces inductances communes n’est vraiment pas simple. Compte tenu de la position des puces dans le pack, ces inductances ne seront pas parcourues dynamiquement par le même courant. Il est donc vraiment conseiller d’éviter systématiquement cette inductance commune par la mise en place de reports des sources de commandes sur un circuit spécifique.

Toutefois, certains constructeurs de packs de puissance ont choisis d’exploiter dans certains cas cette inductance commune puissance-commande [5]. Pour cela, ils calibrent de manière très précise la valeur de cette inductance commune pour une tension de grille et une résistance de grille choisies, afin de ralentir les vitesses de commutation du courant lors de la mise à OFF du composant et limiter ainsi la surtension au niveau du composant. L’inductance commune puissance-commande permet de garder une vitesse élevée sur la commutation en tension (réglages de la tension et résistance de grille), tout en limitant la vitesse de commutation du courant, et ainsi maintenir des pertes à la mise

à OFF acceptable. Ce réglage est assez délicat à effectuer et ajoute des oscillations qui peuvent être incontrôlables. Dans le cas d’application avec des composants rapides à grand gap où l’intérêt principal est la réduction des pertes en commutation, nous conseillons de limiter ces inductances communes.

(a) Blocage du module. (a) Amorçage du module.

Figure 19 - Résultats de simulation d’un blocage et d’un amorçage du module MOSFET-SiC ROHM BSM100D12P1C004, pour Vbus = 600V, Ids = 200A, Tj = 25°C, Vgs = +20V/-5V, RgOFF = 3Ω, RgON = 2Ω, Rs

= 0,5Ω, Rsortie push-pull OFF = 5,4Ω et Rsortie push-pull ON = 3,4Ω, pour différentes valeurs d’inductance commune puissance-commande (Lcommune = [0-10-20-30-40-50]nH).

IV. Co-simulation électrique et électromagnétique dans le but de mettre en