Interaction puissance commande

4.3.1.1.Introduction

Eviter les interactions possibles entre le circuit de puissance et le circuit de commande

dans un module de puissance constitue un des "fils conducteurs" du cahier des charges de

conception d’un module. Déjà largement étudiés [MER96], nous allons juste rappeler les

origines et les conséquences de ces interactions sur le fonctionnement des modules de

puissance et nous allons voir quel est le gain apporté par une structure CoC.

Les interactions entre la puissance et la commande proviennent des inductances parasites

introduites par le câblage. La Fig. 4-11 représente une cellule de commutation avec toutes les

inductances parasites. Afin d’alléger le schéma nous n’avons représenté que quelques

couplages mutuels mais évidemment d’autres sont possibles.

Dans l’étude qui nous intéresse, nous pouvons procéder à quelques simplifications sans

que cela nuise à la compréhension des phénomènes que nous voulons mettre en évidence. La

première remarque concerne l’inductance parasite L_charge présente sur le circuit de charge :

celle-ci n’étant parcourue que par le courant de charge, c'est-à-dire un courant ne subissant

pas de variations brusques (à fort gradient), il sera possible de considérer qu’elle n’intervient

pas dans les phénomènes d’interaction puissance commande.

Ensuite les inductances de câblage L_C1 et L_C2 étant parcourues par le même courant

pourront être regroupées dans une inductance commune L_C. Il en est de même pour L_K et L_A

que nous regrouperons dans L_D.

VG

L_E

L_G

LC1

V_{0 Vcom}

I0

RG Couplage

mutuel

LC2

Lcharge

LA

LK

Fig. 4-11. Représentation d’une cellule de commutation avec ses inductances parasites et

quelques couplages mutuels éventuels

Les interactions entre le circuit de commande et le circuit de puissance peuvent être dues à

deux types de couplages :

• couplage par inductance commune : c’est le cas de L_E qui fait à la fois partie du circuit

de puissance et du circuit de commande.

• couplage par mutuelle-inductance : c’est le cas des trois couplages mutuels possibles

identifiés sur la Fig. 4-11.

De façon générale ces interactions peuvent avoir comme conséquences une instabilité de la

commande de l’interrupteur au moment des commutations, un ralentissement des

commutations et donc une augmentation des pertes, une susceptibilité accrue de la cellule de

commutation aux perturbations d’origine électromagnétiques. Ainsi le concepteur de modules

s’attachera toujours à réduire ces interactions.

4.3.1.2.Comparaison expérimentale

Nous allons maintenant mettre en évidence de façon expérimentale les interactions

puissance-commande sur un module plan et sur un module CoC. Pour cela, comme

précédemment, nous utilisons les modules sans les puces. Le schéma électrique équivalent est

alors celui de la Fig. 4-12 où l’on voit que les seuls éléments du circuit pris en considération

sont dus aux inductances parasites du câblage. La mesure consiste à exciter le circuit de

puissance par un courant sinusoïdal à haute fréquence et à vérifier si le circuit de commande

est affecté par cette excitation. Nous avons pour cela utilisé un courant sinusoïdal de

fréquence 400kHz d’une amplitude crête à crête de 3,5A qui est injecté entre les bornes +DC

et le bornes -DC des modules. La valeur crête à crête et la fréquence du courant d’excitation

sont les valeurs maximales que nous pouvions obtenir expérimentalement.

IHF

Mesure 1

de tension

LC

LE

LG ~

Zone

Diode

Zone

IGBT

LD

IHF

~

Mesure 1

de tension

Mesure 2

de tension

Piste

de

grille

Piste reprise

d’émetteur

+DC

-DC

Piste

point

milieu

Mesure 2

de tension

Fig. 4-12. Schéma électrique équivalent des interactions puissance-commande et principe de

mesure

En ce qui concerne le module plan nous avons réalisé deux mesures (Fig. 4-12). La mesure

1 de tension, dont les formes d’ondes sont données dans la Fig. 4-13, montre la présence

d’une tension aux bornes du circuit de commande lors de l’injection du courant dans le circuit

de puissance. Cette tension, d’un déphasage avant de 90° par rapport au courant et donc de

nature purement inductive, est due à la chute de tension dans l’inductance L_E commune aux

deux circuits. Cette inductance est presque entièrement constituée par les fils de bonding qui

relient la face avant de l’IGBT à la piste en cuivre constituant le point milieu. A partir des

relevés expérimentaux il est d’ailleurs possible de donner une valeur approchée de cette

inductance. Nous trouvons une inductance de 8nH ce qui correspond tout à fait aux ordres

de grandeur des inductances présentes dans un module de puissance. Remarquons que pour

un di/dt autour de 1000A/µs et suivant son orientation la chute de tension dans le circuit de

commande est alors de 8V. Cette valeur est proche des valeurs de tension utilisées comme

signaux de commande des IGBT. On voit alors les conséquences sur la stabilité des

commutations que peut avoir la présence d’une telle chute de tension dans le circuit de

commande.

La mesure 2 de tension (Fig. 4-12) nous aurait permis de mettre en évidence les

interactions par couplage mutuelle-inductance, étant donné que dans cette configuration il n’y

a aucune inductance commune aux deux circuits. Mais dans les mêmes conditions d’essais et

de mesures nous n’avons pas pu observer de tension mesurable.

Courant injecté

500mA/div

Tension

10mV/div

Base de temps :

500ns/div

Fig. 4-13. Formes d’ondes expérimentales du courant injecté et de la tension aux bornes du

circuit de commande d’un module plan (mesure 1)

Finalement, pour un module plan nous n’avons pas pu mettre en évidence la présence de

couplage par mutuelle-inductance mais la présence de couplage par inductance commune si

aucune précaution n’est prise au moment de la conception est clairement démontrée. La

mesure 2 de tension nous a permis de constater la nécessité de séparer les circuits de

puissance et de commande en passant par une reprise d’émetteur.

Une mesure similaire sur un module de type CoC n’a pas non plus permis de mettre en

évidence la présence d’une interaction entre le circuit de puissance et le circuit de commande.

Cette absence d’interaction se justifie aisément par l’analyse de la structure même du module.

Comme on le voit sur la figure Fig. 4-14, les circuits de puissance et de commande sont

structurellement séparés minimisant les possibilités de couplage. Le seul chemin commun

entre les deux circuits se situe en regard d’un demi composant, en supposant la zone de

contact de grille au centre de celui-ci. La Fig. 4-15 met en évidence cette zone commune.

Notons que cette zone sera encore minimisée pas l’utilisation d’un composant de puissance

possédant un contact de grille à sa périphérie.

+DC

Emetteur

Grille

Driver

-DC

Inductances parasites

Courant de puissance

Charge

Courant de commande

Puce

Chemin

de la

Puissance

Commande

Zone commune

puissance/commande

Point

milieu

+DC

-DC

Fig. 4-15. Zone commune au circuit de puissance et au circuit de commande

4.3.1.3.Conclusion

Les mesures effectuées sur un module plan nous ont confirmé qu’une conception sans

précautions sur la prise de contact de la reprise d’émetteur pour la commande pouvait se

révéler catastrophique pour le bon fonctionnement de module. Même si les couplages par

mutuelle-inductance restent difficiles à mesurer, les inductances communes provoquent des

couplages forts. Aujourd’hui cette problématique est bien intégrée par les concepteurs et les

modules sont majoritairement équipés de reprise d’émetteur. Cependant, l’émergence des

modules 3D tels que ceux décrits dans la partie 2 à refroidissement double face, et donc

présentant des pistes de puissance également sur les DBC supérieurs, fait apparaître de

nouveaux couplages mutuels avec des effets possibles et indésirables, même sur les reprises

d’émetteur [LOU05].

La séparation matérielle entre les circuits de puissance et les circuits de commande qui est

assurée par une structure CoC constitue un bénéfice majeur pour minimiser les interactions.

Par ailleurs, un blindage naturel est créé par le passage de la connexion de grille dans une

électrode massive. La Fig. 4-16 met en évidence ce blindage qui, par sa structure, se rapproche

d’un blindage de type coaxial.

+DC

Point

milieu

Connexion de grille

Nous avons ainsi montré les bénéfices qu’apporte un module de type CoC des points de

vue électrostatique et électromagnétique. La structure CoC assure une immunité contre les

interactions puissance/commande par sa structure même. Cet aspect peut rendre attractif une

telle structure aux yeux des concepteurs de modules qui ainsi sans réflexions particulières

peuvent obtenir des modules minimisant les interactions. Rappelons par ailleurs qu’un

module ayant une susceptibilité faible aux rayonnements électromagnétiques est également un

module qui rayonnera faiblement. Rayonnement et susceptibilité sont en fait deux façons de

décrire les mêmes propriétés électromagnétiques d’une structure.

Dans le document Solutions innovantes pour le packaging de convertisseurs statiques polyphasés (Page 36-41)