Instrumentation d’un module 6MBI300U4-120, régime dynamique

Dans ce dernier paragraphe, nous allons présenter l’essentiel des travaux d’instrumentation du module IGBT étudié. Pour ce faire, ce module a été intégré au sein d’une structure de conversion statique permettant l’échange de puissance réactive entre la source et la charge. Ce choix a été opéré afin d’avoir à fournir uniquement les pertes engendrées par les semi-conducteurs et la charge. Cela a aussi permis de travailler avec de forts courants et sous des tensions importantes sans avoir la nécessité de fournir une puissance active conséquente. Ainsi, le banc expérimental développé permet de tester notre module soumis à une tension de bus continu pouvant atteindre 800V et un courant circulant dans la charge de 350A. Le dimensionnement du banc de capacité constituant le bus continu permet d’échanger une puissance réactive limitée à 20kVA. La fréquence de découpage des cellules de commutation est variable et nous présenterons les résultats obtenus avec une MLI naturelle à 10kHz. Le signal modulant est sinusoïdal et peut varier de 0Hz à plusieurs centaines de Hz. L’asservissement du courant n’est pas réalisé, une simple compensation active des temps morts a permis d’obtenir des résultats bien au-delà de nos attentes [MUN01].

Une unique cellule de commutation a fait l’objet d’une instrumentation. La structure retenue est une structure d’onduleur monophasé constituée d’une part, de la cellule de commutation instrumentée et, d’autre part d’une cellule de commutation d’un module auxiliaire. Nous avons retenu pour ce dernier un module 2MBI450U4-120 constitué d’une unique cellule de commutation et dont le calibre en courant est légèrement supérieur au module étudié. L’interrupteur du haut de la cellule de commutation instrumenté a fait l’objet de relevés de courants et tensions afin d’obtenir les pertes réelles qui ont lieu à chaque commutation.

Ces mesures ont été relativement délicates puisque les retards engendrés par les sondes influencent grandement la valeur des pertes mesurées. Une phase de recalage a été nécessaire lors du traitement des données.

Concernant l’aspect thermique, les deux cellules de commutation constituant cet onduleur monophasé sont refroidies par deux plaques à eau distinctes. Cela nous a permis de découpler thermiquement les deux cellules et d’éviter toute perturbation de l’une sur l’autre. Ces plaques à eau sont en cuivre et à lame d’eau. Le système de refroidissement avait pour objectif la circulation du fluide de refroidissement, exclusivement constitué d’eau pour ces essais, avec un débit de six litres par minute. Nous avons choisi de maintenir ce fluide à 20°C tout au long de nos essais. Le module IGBT instrumenté a été usiné au niveau de sa semelle de cuivre afin d’y positionner treize micro-thermocouples. La Figure 38 montre le positionnement de ces thermocouples qui nous ont permis d’obtenir la température sous chaque puce de semi-conducteur ainsi qu’à proximité. L’entreprise ARCEL, fournisseur de matériel dans le cadre de ce projet, nous a gracieusement procuré deux modules 6MBI300U4-120 dépourvus du gel de silicone qui imprègne les puces de semi-conducteur à la fin du process industriel de fabrication. Cela nous a permis d’effectuer des mesures par thermographie infrarouge.

Figure 38 : Positionnement de micro-thermocouples dans la semelle de cuivre de la cellule de commutation instrumentée

Plusieurs campagnes de mesures ont été réalisées pour différentes fréquences du signal modulant. Au-delà de 10Hz, l’excursion de température des puces de semi-conducteur est

de l’ordre du degré et permet d’affirmer que les phénomènes thermiques peuvent être découplés des phénomènes électriques. Rappelons que le simulateur électrothermique sur lequel nous travaillons doit permettre de montrer le comportement thermique du module IGBT lors de fonctionnements à très basse fréquence. Les mesures effectuées à 0,1Hz et à 1Hz ont été effectuées avec un courant de 100A traversant la charge et avec un bus continu fixé à 500V. Dans cette situation, les pertes totales en conduction et en commutation dans les IGBT sont respectivement égales à 33W et 82W. Au niveau des diodes, on dénombre 28W en conduction et 63W en commutation.

Figure 39 : Fonctionnement de la cellule de commutation instrumentée. Découpage de 100A sous 500V à 10kHz avec un modulant à 1Hz. Evolution de la température mesurée et simulée Comme le montre la Figure 39, l’échauffement moyen se situe autour de 25°C, portant les semi-conducteurs à une température très faible d’environ 45°C avec un fluide de refroidissement à 20°C. Le relevé des excursions de températures montrent des variations

de l’ordre de 20°C sur certains IGBT et de l’ordre de 10°C pour certaines diodes. Notons que la précision sur l’estimation des températures est meilleure lorsque la puce de semi- conducteur considérée travaille. Cela est dû à une bonne estimation de la température d’une puce de semi-conducteur par le modèle thermique compact lorsque que celle-ci travaille. En revanche, l’estimation devient moins bonne pour les interactions inter-puces reflétant, peut être, une moins bonne identification des paramètres de la couche de couplage du réseau RC-3D. A 0,1Hz ces variations augmentent de façon notable pour atteindre 30°C sur quelques IGBT. Dans ce cas, la variation de température de la puce de semi-conducteur atteint 120% de l’augmentation de la température moyenne. Pour ces régimes de fonctionnement très particulier, la prise en compte de ce régime dynamique est essentielle pour assurer un dimensionnement pérenne des semi-conducteurs. L’emploi d’un tel simulateur permet d’estimer l’évolution des températures de jonction avec une précision directement liée au nombre de cellules du modèle thermique compact et de la qualité de l’identification des paramètres. Sur ce dernier point, notre travail reste totalement ouvert et pourrait faire l’objet de travaux passionnants.