Résultats de simulations

· Formes d’ondes

Les formes d’ondes caractéristiques suivantes sont tracées pour le transistor high side et le

transistor low side lors des commutations à la fermeture et à l’ouverture : courant de drain

(Figure 110, Figure 111), Tension drain source (Figure 112, Figure 113), tension grille source

(Figure 114, Figure 115).

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 89

Figure 110: Courant de drain - fermeture Figure 111: Courant de drain - ouverture

Le courant de drain à la fermeture du MOSFET high side (Figure 110) a une valeur pic 20

fois supérieure au courant de charge (200A pic pour 20A de charge). Ce phénomène est

causé par le recouvrement en inverse de la diode body du transistor low side et du fort di/dt.

La vitesse de variation du courant de drain, quand le courant de charge est atteint, est

approximé à 28A/ns et augmente encore pendant le phénomène de recouvrement pour

atteindre 67A/ns juste avant le pic de recouvrement. L’inductance parasite du packaging ne

limite pas la vitesse de variation du courant. Malgré les faibles charges stockées de la diode

body du MOSFET SiC, la très grande vitesse de variation du courant va créer un grand pic

de recouvrement en inverse. On peut alors se questionner sur l’influence du recouvrement

sur l’énergie de commutation et sur l’intégrité de la puce pour un si grand pic de courant.

Figure 112: Tension drain source - fermeture Figure 113: tension drain source - ouverture

La tension drain source du MOSFET high side à la fermeture (Figure 112) a une

sous-tension inductive de 100V tandis que la sous-tension drain source du MOSFET low side subit des

oscillations d’une fréquence de 390MHz causées par l’inductance parasite basse fréquence

et la capacité Coss (L=1.5nH, Coss=111pF). Lors de l’ouverture, les tensions drain source

ne subissent quasiment aucune surtension ni oscillations. En effet, la vitesse de variation du

courant est beaucoup plus faible dans ce cas.

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 90

Figure 114: Tension grille source - fermeture Figure 115: Tension grille source - ouverture

Au niveau des tensions grille source, on peut noter la perturbation capacitive sur le circuit du

transistor low side, qui atteint près de 4V. La tension de seuil est dépassée mais le transistor

ne s’enclenche pas. On peut supposer que le temps de la perturbation est trop faible pour

venir charger la grille du transistor low side.

Afin de valider l’hypothèse du recouvrement inverse dominant lors de la fermeture du

MOSFET high side, une simulation est réalisée en remplaçant le MOSFET low side par un

modèle SPICE d’une diode schottky SiC 1200V 10A (CSD10120D). Le courant de drain à la

fermeture et à l’ouverture dans le cas d’une cellule de commutation MOS-MOS et

MOS-Diode est présenté en Figure 116 et Figure 117. L’effet de la diode Schottky SiC est radical,

le courant pic à la fermeture passe de 200A dans le cas d’une cellule MOS-MOS à 60A dans

le cas d’une cellule MOS-Diode. Les oscillations sont également diminuées. A l’ouverture,

les formes d’onde sont similaires, avec une légère augmentation des oscillations dans le cas

de la cellule MOS-Diode. On peut supposer une forte diminution de l’énergie de commutation

à la fermeture dans le cas de la cellule MOS-Diode.

Figure 116: Courant de drain à la fermeture - influence d'une diode schottky SiC

Figure 117: Courant de drain à l'ouverture - influence d'une diode schottky SiC

· Energie de commutation

Les énergies de commutation à la fermeture (Eon) et à l’ouverture (Eoff) sont calculées par

simulation dans le cas d’une cellule de commutation MOS-MOS et d’une cellule de

commutation MOS-Diode. Les simulations SPICE reprennent le schéma de la Figure 109

avec une tension du bus continu de 800V et une résistance de grille de 2.5Ω. Le courant de

charge varie entre 5A et 40A. Les résultats sont présentés en Figure 118.

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 91

Figure 118: Comparaison des énergies de commutation (Eon, Eoff et Etot) entre une cellule MOS-MOS et

une cellule MOS-Diode

L’influence de la diode Schottky sur l’énergie de commutation à la fermeture (Eon) est

évidente. L’énergie augmente linéairement de 75µJ pour un courant de 5A à 150µJ pour un

courant de 40A dans le cas de la cellule MOS-Diode alors que dans le cas de la cellule

MOS-Diode, l’énergie augmente linéairement de 150µJ pour un courant de 5A à 625µJ pour

un courant de 40A. L’énergie de commutation à l’ouverture reste constante et identique pour

les deux configurations avec une valeur de 30µJ. L’utilisation d’une diode Schottky SiC

permet donc de réduire les pertes par commutation d’un facteur compris entre 1.5 et 3 dans

le cas du module PCOC en PCB. La variation des énergies est linéaire en fonction du

courant car l’influence de l’inductance de la maille de puissance est négligeable (L.I²).

Il est maintenant intéressant de comparer l’énergie de commutation totale du module PCOC

PCB avec deux types de packaging ; une solution discrète et une solution en module, avec

la même puce MOSFET SiC. La solution discrète est une cellule de commutation

MOS-Diode composé d’un boîtier TO247 pour le MOSFET SiC (C2M0080120D) et un boîtier

TO247 pour la diode Schottky SiC (C4D10120D). L’énergie de commutation en fonction du

courant est extraite de la datasheet du MOSFET avec une tension de 800V, une résistance

de grille de 2.5Ω et une température de 25°C. La comparaison des énergies de commutation

en fonction du courant de drain pour la solution discrète est présentée en Figure 119.

Jusqu’à un courant de 20A, le module PCB avec une cellule MOS-MOS a la plus grande

énergie de commutation. Au-delà de 20A, la solution discrète a la plus grande énergie. Le

module PCB avec une cellule MOS-Diode reste la meilleure solution.

Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 92

Figure 119: Energie totale de commutation -

comparaison entre module PCB et solution discrète

Figure 120: Energie totale de commutation - comparaison entre module PCB et module

Vincotech

La solution en module classique est un module de type onduleur triphasé de la société

Vincotech (10-PZ126PA080ME-M909F18Y), qui assemble pour chaque cellule de

commutation une puce MOSFET SiC 1200V 80mΩ (CPM212000080B) avec une diode

Schottky SiC 1200V 16A. Le module inclut également des condensateurs de découplage aux

bornes de chaque cellule. La comparaison des énergies de commutation est effectuée en

Figure 120 avec les caractéristiques de la datasheet Vincotech (Vbus=700V, Rg=4Ω,

Tj=25°C). Le module PCB avec une cellule MOS-MOS a la plus grande énergie de

commutation sur toute la gamme de courant, suivi par le module Vincotech. Encore une fois,

la configuration MOS-Diode du module PCB permet d’obtenir les meilleures performances

avec un gain de 58% sur l’énergie de commutation à 25A.

La cellule de commutation MOS-Diode peut être envisagée dans des applications à grande

fréquence de découpage tandis qu’une cellule MOS-MOS est acceptable pour des

applications à faible fréquence de découpage (<100kHz) et forte puissance volumique (deux

fois moins de composants). Malgré les meilleures performances en commutation de la

cellule MOS-Diode, nous avons également privilégié la cellule MOS-MOS pour une

réalisation technologique plus facile. L’extraction de l’énergie de commutation va maintenant

nous permettre de calculer les pertes de l’onduleur triphasé.

Dans le document Onduleur à forte intégration utilisant des semi-conducteurs à grand gap (Page 91-95)