Mesures électriques

3.1.1.1 Instruments de mesure utilisés

Sauf mention contraire, les mesures électriques temporelles exposées ici ont

été réalisées à l’aide des instruments suivants :

oscilloscope Tektronix TDS7054 de bande passante 500 MHz ;

sondes de tension Tektronix P6139A , atténuatrices (rapport 10), bande

pas-sante 0–500 MHz ;

shunt aselfique T&M SDN–005 de résistance 4,901 mΩ et de bande passante

0–400 MHz ;

Les mesures d’impédance ont été effectuées à l’aide d’un pont auto-adaptatif

HP4194A, équipé de sa sonde permettant des mesures jusqu’a 100 MHz [Hon00].

Pour obtenir les caractéristiques statiques I = f(V) des semiconducteurs,

nous avons utilisé un traceur Tektronix 371A, ainsi qu’un dispositif décrit plus

loin, et permettant d’obtenir des résultats plus précis dans certains cas.

L’oscilloscope utilisé (TDS7054) est capable d’effectuer 2,5.10⁹

échantillon-nages par seconde, avec une résolution de 8 bits . Lorsque la pleine fréquence

d’échantillonnage n’est pas nécessaire, nous travaillerons en modeHi-Res, qui

consiste à effectuer les acquisitions à fréquence maximale puis à effectuer une

moyenne temporelle (entre n échantillons successifs). De cette manière la

ré-solution des convertisseurs est améliorée sans avoir à faire d’hypothèses sur la

périodicité du signal (ou la stabilité du déclenchement).

Il peut cependant être nécessaire d’effectuer un moyennage classique

lors-que l’on est en présence d’un bruit non corrélé au dispositif sous test (c’est le

cas, par exemple, du découpage d’une alimentation) qui n’a pu être filtré.

Dans les deux cas, la résolution obtenue évolue enp

n, oùn est le nombre

d’échantillons par point. Si l’on effectue une moyenne sur 16 acquisitions, la

résolution est améliorée d’un facteur 4, soit 2 bits [Amm02, Tek89].

Une autre spécificité de cet oscilloscope est la taille de sa mémoire (jusqu’à

500 000 points), permettant l’acquisition d’une période complète d’un signal

tout en gardant une résolution suffisante pendant les commutations. Cela

per-met, lors des comparaisons avec la simulation, de valider non seulement les

formes d’onde, mais aussi leur décalage temporel, puisqu’on ne synchronisera

les formes d’ondes simulées et mesurées qu’en début de période.

La sonde de courant utilisée ici est un shunt aselfique [Wit02] qui

pré-sente l’intérêt, par rapport aux autres capteurs, d’une large bande passante (du

continu à 400 MHz, d’une grande dynamique de mesure (de moins d’un ampère

à plusieurs centaines d’ampères) [Lai02] et d’un faible encombrement (les deux

terminaux de puissance sont distants de quelques millimètres).

3.1.1.2 Conditions de mesure

Les mesures temporelles que nous avons réalisées pour cette étude sont

principalement destinées à la comparaison avec la simulation. Il est donc

né-cessaire de maîtriser l’environnement de mesure de manière à pouvoir le

mo-déliser.

Nous avons vu dans le chapitre 2 que les conducteurs des convertisseurs

sont loin de constituer des équipotentielles. Leurs inductances parasites sont à

l’origine de d.d.p à leurs extrémités, et, plus grave, de couplage avec le reste du

circuit, y compris de mesure.

Toutes les mesures de tensions présentées ici ont donc été réalisées en mode

différentiel, à l’aide de deux sondes passives P6139. Ces deux sondes ont été

as-sociées physiquement en solidarisant leurs deux câbles sur toute leur longueur ;

seules les têtes et les fils de masse des sondes sont dissociées. Cet accouplement

permet de garantir que les signaux véhiculés sur les câbles des sondes sont

sou-mis à des perturbations identiques. Dans le même ordre d’idées, il faut veiller à

ce que les fils de masse suivent tous deux le plus proche chemin, et notamment

qu’ils n’entourent pas un conducteur de puissance.

L’équipotentielle de mesure, à laquelle est fixée la masse de l’oscilloscope

doit être la moins impédante possible, de manière à assurer au mieux sa

fonc-tion en dépit des courant induits qui la parcourent. Nous avons donc utilisé un

plan de masse en tôle de cuivre, d’un mètre carré de surface, auquel sont

ratta-chés tous les éléments du banc de mesure (oscilloscope, alimentations, sondes).

Ce plan est lui même raccordé au circuit de terre du bâtiment, pour des raisons

de sécurité. Les connexions de terre de chaque appareil du banc sont également

connectées sur ce plan. De cette manière, on peut se prémunir au mieux des

« bruits » de découpage des différentes alimentations de l’appareillage. Enfin,

le dispositif sous test est raccordé en un point au plan de masse. Si l’on effectue

une mesure de courant à l’aide d’un shunt, c’est au niveau de celui-ci que se fera

la connexion, sinon elle sera effectuée sur l’entrée « - » du dispositif.

La commande des transistors, qu’ils soient en haut ou en bas du bras

d’on-duleur, est effectuée par des modules de commande, que nous avons

spécifique-ment développés pour ce travail, isolés grâce à un convertisseur DC–DC intégré

et une commande par fibre optique (figure 3.1). Ces modules ont une taille

ré-duite (environ trois centimètres de côté), et peuvent être placés directement sur

le dispositif à tester (voir annexe C).

Moyens de mesure 91

FIG. 3.1 –Photographie d’un des modulesdrivermettant en évidence la

transmis-sion par fibre optique (en haut à gauche) et le convertisseur DC–DC (à droite). Le

connecteur de sortie est situé sous le circuit.

FIG. 3.2 –Paramètres de la commande optique

Nous avons également développé une carte à FPGA pour piloter les modules

de commande, avec quatre sorties optiques (on peut ainsi commander un pont

en H). Elle est configurée via un PC, et génère des trames telles que présentées

figure 3.2. L’utilisation de salves de commandes est destinée à réduire

l’autoé-chauffement des composants. Période de découpage, rapport cyclique et temps

mort sont réglables par pas de 25ns(voir annexe C).

3.1.1.3 Composant étudié

La plupart des mesures effectuées ici ont été réalisées sur des convertisseurs

utilisant un MOSFET fabriqué parSTMicroelectronics, le STB210NF02. Ses

prin-cipales caractéristiques sont résumées dans le tableau 3.2. Il fait appel à la

tech-nologieStripFET, c’est à dire qu’il possède un circuit de grille en bandes (voir

Composant ST210NF02

Tenue en tension 20V

Courant nominal 120A

RDS

on

2,6 mΩ

Température de fonctionnement -55 à 175°C

C_{i ss} 5100pF

Coss 3500pF

Cr ss 800pF

Boîtier D2PAK

TAB. 3.2 –Résumé des caractéristiques des MOSFET étudiés

section 1.2.1.1) et une très grande densité d’intégration [She03].

Dans le document Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance : application à l'onduleur basse tension (Page 104-107)