1 Présentation

carigbtavonsinterrupteurGrâce à sa haute fréquence, sa faible consommation d'énergie par conduction et sa commande de grille aisée, l'IGBT est largement utilisé dans les systèmes de conversion de puissance. Dans les applications IGBT, outre ses performances techniques intrinsèques, la conception et la fiabilité de son circuit de commande sont des facteurs essentiels à prendre en compte.circuitentre le contrôleur et leinterfaceLe circuit est étroitement lié à la consommation d'énergie et à la fiabilité du système. Un circuit de commande optimisé est indispensable au système de conversion de puissance. Le choix d'un circuit de commande approprié est crucial pour la fiabilité de la solution de conversion globale.

Le circuit de commande remplit principalement les trois fonctions suivantes. La première est la fonction de pilotage, qui fournit un courant suffisant pour le commutateur IGBT.actuel, afin de garantir que l'IGBT puisse être activé et désactivé de manière fiable sous son contrôle ; deuxièmement, le pilote doit disposer d'une fonction de protection. Lorsqu'un dysfonctionnement de l'IGBT survientcourt-circuitOu, en cas de surintensité, le pilote peut couper l'IGBT dans les plus brefs délais afin de protéger le dispositif d'alimentation.De plus, dans les applications haute tension et haute puissance, le circuit de commande, en tant que pont de connexion entre le circuit de commande et le circuit d'alimentation, doit avoir une fonction d'isolation électrique afin de garantir que le circuit de commande ne soit pas perturbé et affecté par le circuit d'alimentation.Partant du principe que les trois fonctions susmentionnées sont satisfaites, le conducteur doit également prendre en compte la relation entre flexibilité, performance et prix.

En raison des différentes capacités de courant et des différents niveaux de tension des IGBT, les exigences techniques relatives à leurs circuits de commande varient également. Dans les applications basse puissance, le courant de commande étant relativement faible, on utilise généralement des circuits de commande intégrés. Dans les applications haute puissance et haute tension, telles que les alimentations UPS haute puissance, on utilise des circuits de commande haute tension.Convertisseur de fréquenceetc., ce qui exige du circuit de commande un courant plus élevé, une tension d'isolation supérieure et des fonctions de protection plus complètes. Cet article se concentre sur les modules de commande IGBT haute puissance couramment utilisés sur le marché, tels que le SKHI22 de Semikron et le 2SD315A de Concept, et analyse leurs caractéristiques techniques communes, leurs points de conception et les perspectives d'évolution de la technologie des circuits de commande IGBT haute puissance.

2. Analyse des caractéristiques techniques

2.1 Fonctions complètes de traitement du signal

Dans les applications haute tension et haute puissance, il est crucial de garantir la fiabilité du signal de commande des IGBT, compte tenu notamment des fortes interférences générées par le commutateur et du coût élevé des IGBT. C'est pourquoi les modules de commande d'IGBT haute puissance intègrent généralement une fonction complète de prétraitement du signal d'impulsion de commande, afin d'assurer la fiabilité de ce signal sur la grille de l'IGBT. Les fonctions de traitement du signal de commande les plus courantes sont les suivantes :

(1) Dual-channel pulse interlocking function

Lorsque le module de commande génère deux signaux d'impulsion pour contrôler respectivement les IGBT supérieur et inférieur du même bras de pont, un court-circuit peut se produire si le signal de commande active simultanément les deux IGBT, risquant d'endommager ces derniers ou d'autres composants. Afin d'éviter ce court-circuit, un circuit de verrouillage est intégré au module de commande. Ce circuit garantit que lorsque les deux signaux d'impulsion d'entrée sont simultanément à l'état haut, les deux sorties sont simultanément à l'état bas, empêchant ainsi tout court-circuit. Si une commande indépendante des deux signaux de commande est requise, la fonction de verrouillage peut également être masquée par des bornes externes.

(2) Fonction de suppression d'impulsions étroites

Le signal d'impulsion étroit, généré par le circuit de commande ou des interférences, est appliqué à la grille de l'IGBT via le pilote, ce qui peut entraîner une commutation trop rapide de l'IGBT. Un signal d'impulsion trop court provoque l'extinction de l'IGBT avant sa conduction complète, ce qui nuit à la sortie du convertisseur, augmente les pertes de commutation de l'IGBT et réduit le rendement du système. Un circuit de filtrage est intégré au pilote pour éliminer les signaux d'impulsion étroits, ce qui améliore la fiabilité de l'IGBT.

(3) Fonction de réglage du temps mort

En mode demi-pont, les deux IGBT doivent être activés successivement. Afin d'éviter leur activation simultanée lors de la commutation, un temps mort est introduit entre chaque activation. Ce temps mort varie selon les caractéristiques des IGBT. Dans le module de commande haute puissance à deux canaux, un circuit de contrôle de zone morte est intégré. La taille de cette zone morte peut être ajustée par différents types de connexions externes, notamment en utilisant des bornes de capacités différentes.capacitance(2sd106) ou niveau haut et bas (skhi22a/b).

La figure 1 montre semikromLe schéma fonctionnel de traitement du signal du pilote haute puissance igbt de la société [3] comprend divers modules fonctionnels de traitement du signal, dont le but est d'assurer la fiabilité du signal de commande igbt.

2.2 Méthode de transmission isolée des signaux de commande

Étant donné que le circuit de commande IGBT haute tension et haute puissance fonctionne dans un environnement haute tension, afin de garantir que le contrôleur ne soit pas affecté par la haute tension, le signal d'impulsion de commande doit être isolé puis transmis à la grille de l'IGBT. Les méthodes d'isolation courantes comprennent l'isolation optique et l'isolation magnétique. L'isolation optique comprendOptocoupleurisolement etfibre optiqueL'isolation par optocoupleur présente des inconvénients tels que le délai de transmission, le vieillissement et la fiabilité, dus à sa tension d'isolation relativement faible. Elle est rarement utilisée dans les applications haute tension où la tension du bus CC dépasse 800 V.transformateur d'impulsionsLa méthode d'isolation (isolation magnétique) permet d'atteindre une tension d'isolation relativement élevée, ettransformateurIl présente une grande fiabilité, un faible délai de transmission, une fréquence de commutation élevée et ne souffre pas de vieillissement. C'est pourquoi la plupart des pilotes d'IGBT haute tension utilisent des transformateurs d'impulsions comme composants d'isolation pour assurer l'isolation des signaux de commande.

Le transformateur d'impulsions de commande traditionnel isole le signal d'impulsion amplifié et pilote directement l'IGBT ou le transistor MOS de puissance. Son principe de fonctionnement est illustré figure 2. Le condensateur série primaire élimine la composante continue de l'impulsion de commande. Le régulateur de tension parallèle secondaire empêche une tension de sortie trop élevée d'endommager le transistor de puissance. Ce mode de fonctionnement ne nécessite pas d'alimentation de commande externe, sa conception est simple et son coût relativement faible. Cependant, lorsque le rapport cyclique de l'impulsion de commande varie fortement, notamment pour des valeurs élevées, l'amplitude de l'impulsion positive de sortie peut être réduite, car l'aire sous la courbe du signal de sortie du transformateur doit être constante sur un cycle. Ceci peut empêcher le pilotage normal de l'IGBT. Le rapport cyclique de l'impulsion de commande doit généralement être inférieur à 50 %.Noyau magnétiqueLe problème de saturation limite également la durée de conduction de l'impulsion de commande. Un autre inconvénient est la distorsion du signal de commande, notamment lors de la commande d'IGBT de forte puissance. En raison de la capacité d'entrée relativement élevée de l'IGBT, le signal de commande de la sortie secondaire du transformateur d'impulsions peine à satisfaire aux exigences de commande. Par conséquent, cette méthode de commande est principalement utilisée pour les applications basse puissance.changer de source d'alimentationmilieu.

Pour les IGBT haute tension et haute puissance, la méthode de pilotage décrite ci-dessus est inapplicable. La méthode courante consiste à moduler le signal d'impulsion de pilotage et à convertir ses fronts montant et descendant en deux signaux d'impulsion étroits inversés. Le transformateur d'impulsions effectue cette conversion.couplageau niveau secondaire, puis restaurer le signal d'impulsion de commande par la méthode de reconstruction secondaire. Son principe de fonctionnement est illustré à la figure 3.

Cette méthode peut être qualifiée de méthode de transmission par couplage de bord d'impulsion. Son avantage réside dans le fait que le transformateur d'impulsions ne transmet que des signaux impulsionnels étroits, de largeur fixe, et peut s'adapter à des signaux d'excitation présentant une large plage de variations de rapport cyclique. Du fait de la faible largeur des impulsions transmises, le noyau et les enroulements du transformateur peuvent être de dimensions relativement réduites, de même que l'inductance de fuite et la capacité répartie correspondantes, ce qui simplifie la conception du transformateur et la transmission du signal. Son inconvénient est l'ajout d'un circuit de conversion et de reconstruction, ce qui complexifie le circuit. La figure 4 illustre la forme d'onde expérimentale du transformateur d'impulsions après conversion.

Afin de simplifier la conception de l'alimentation du variateur, les modules de commande IGBT haute puissance intègrent généralement un convertisseur CC/CC. Les convertisseurs CC/CC à isolation renforcée dispensent de la conception d'une alimentation isolée séparée. Les convertisseurs à isolation intégrée adoptent généralement une structure en demi-pont ou push-pull. Pour augmenter la tension d'isolation et simplifier le circuit de commande, ils sont généralement dépourvus de régulation en boucle fermée. Certains variateurs ajoutent une alimentation régulée linéaire en sortie pour stabiliser la tension de commande. Afin de réduire la taille du transformateur, la fréquence de fonctionnement est généralement supérieure à 100 kHz. Dans les applications haute tension et haute puissance, et en fonction de la tension du bus, le variateur doit présenter une tolérance de tension d'isolation élevée entre le primaire et le secondaire. Une tension de bus de 900 Vcc requiert une tension d'isolation d'au moins 4 kVca. La tolérance au dv/dt est également un facteur important. Lors de commutations rapides de l'IGBT, un dv/dt très important peut être généré. Ce signal peut être couplé au circuit de commande principal via un transformateur d'isolement ou un transformateur d'impulsions, ce qui peut engendrer des interférences. Par conséquent, lors de la conception du transformateur d'isolement, il est impératif de minimiser les capacités de couplage primaire et secondaire. La valeur de ces capacités est déterminée en fonction des exigences spécifiques de tenue en variation de tension (dv/dt), et est généralement inférieure à 20 pF.

Le procédé de fabrication du transformateur est essentiel pour atteindre la tension d'isolation élevée mentionnée précédemment. Afin d'accroître la tolérance à la tension d'isolation et de réduire la capacité de couplage entre le primaire, le secondaire et le terbium, les enroulements sont généralement bobinés séparément et séparés par des cloisons isolantes. Il est parfois nécessaire de revêtir la surface du noyau magnétique d'un matériau isolant épaissi ou de l'enrouler avec trois couches de fil isolé. La figure 5 présente un schéma de la structure du transformateur du module de commande IGBT 2ED300C17 d'Eupec [4].

2.4 Protection contre les courts-circuits et réglage du seuil

La méthode de protection contre les courts-circuits ou les surintensités des IGBT actuellement la plus couramment utilisée repose sur la détection de la tension VCE [5]. En cas de court-circuit ou de surintensité, la zone de fonctionnement de l'IGBT sort de la zone de saturation et la tension VCE augmente. Plus précisément,circuit de protectionLe principe est illustré à la figure 6.diodeLa diode d est connectée au collecteur de l'IGBT pour détecter sa sous-saturation. L'augmentation de la tension Vce entraîne une augmentation du potentiel anodique de la diode en série. Lorsque le seuil de court-circuit défini est dépassé, le circuit de protection se déclenche et coupe l'IGBT. La tension de collecteur de l'IGBT étant relativement élevée en début de conduction, le déclenchement du circuit de protection à ce moment précis peut provoquer un dysfonctionnement. Il est donc nécessaire de définir une zone morte pendant laquelle le circuit de protection contre les courts-circuits est inactif. Cette fonction est câblée en parallèle via un commutateur s et un circuit externe.résistanceCe fonctionnement est assuré par la résistance RCE et le condensateur CCE. Lorsque l'IGBT est bloqué, le circuit S est activé et le condensateur CCE se charge à 15 V. Lorsque l'IGBT est activé, le circuit S est désactivé et le condensateur CCE se décharge à travers RCE. La tension de fin de décharge est de :

Cela peut rendre la tension de référence supérieure à la tension de détection lors de la phase initiale de conduction de l'IGBT, évitant ainsi un dysfonctionnement du circuit de protection. La forme d'onde en fonctionnement normal est illustrée sur la figure 7(a). La forme d'onde en cas de court-circuit ou de surintensité est illustrée sur la figure 7(b).

2.5 Méthode d'interface utilisateur

Pour s'adapter aux modules IGBT proposés par différents fabricants, le pilote IGBT doit disposer d'une interface utilisateur conviviale. Il doit également présenter une grande flexibilité et un coût abordable. Les modules pilotes couramment disponibles sur le marché utilisent principalement…soudageRéalisez la connexion avec un IGBT sur la carte de circuit imprimé, par exemple : SKHI22, 2SD315A et 2ED300C17. Pour faciliter l’installation, une connexion directe par enfichage est également possible. La figure 8 illustre le module de commande Skyper développé par Semikron. Il se connecte à la carte d’interface de commande par simple enfichage.

Le module de commande (noyau de commande) assurant uniquement les fonctions communes essentielles du variateur, sa connexion avec différents modules selon les applications repose sur la carte d'interface. L'ensemble module-variateur comprend un module de puissance avec interface à ressort, un noyau de commande standard ou amélioré, et une carte d'interface reliant le noyau de commande au module spécifié. La carte d'interface personnalisable présente un avantage majeur : l'utilisateur peut ajuster et définir lui-même les caractéristiques de commutation de l'IGBT, par exemple : modifier la vitesse d'ouverture ou de fermeture de l'IGBT en ajustant rgon ou rgoff ; ajuster le temps mort ou désactiver la fonction de verrouillage ; ajuster le point de protection VCE et la durée de la fenêtre, etc. Comparée au module de puissance intelligent IPM actuellement disponible sur le marché, la carte d'interface rend le système plus flexible et plus facilement adaptable à différentes applications. Une fois les paramètres système définis, le système est aussi simple d'utilisation que l'IPM. La connexion électrique entre le module Semix et la carte d'interface s'effectue par le ressort intégré au module Semix et la couche inférieure de la carte d'interface.ContactAprès assemblage, les contacts de la carte d'interface entrent en contact avec les contacts à ressort du module, établissant ainsi la connexion électrique par pression. Cette pression de contact améliore la fiabilité du module de puissance par rapport au soudage. De même, la connexion enfichable entre le noyau de commande et la carte d'interface permet également d'éviter le soudage [6]. La figure 9 illustre un exemple de connexion entre le noyau de commande, la carte d'interface et le module semix.

2.6 Hautement intégré

La tendance actuelle en matière de développement des drivers est à une intégration poussée, permettant de réduire leur taille et de les intégrer plus étroitement aux IGBT. Ceci facilite l'installation, réduit la longueur des câbles de connexion entre les modules IGBT du driver et les autres composants, et diminue le nombre de conducteurs.inductancePour atteindre cet objectif, les modules de commande IGBT actuellement développés par certaines entreprises étrangères utilisent tous des circuits intégrés spécifiques développés en interne.circuit intégréasePar exemple : le skic2001a de Semikron et les ldi001 et lgd001 de Concept. Grâce à l’utilisation d’ASIC, la plupart des fonctions de contrôle et de protection peuvent être implémentées dans un circuit intégré, ce qui réduit considérablement la taille du variateur et augmente la fiabilité du variateur IGBT.

3 Tendances de développement des modules de commande IGBT haute tension et haute puissance

En tant que semi-conducteur de puissance composite, l'IGBT est de plus en plus utilisé, notamment dans les convertisseurs de puissance, grâce à sa faible consommation, sa fréquence de commutation élevée et sa capacité de courant importante. Les exigences relatives à son circuit de commande seront également de plus en plus élevées. Les principales orientations de développement technique sont les suivantes.

(1) Intégration plus élevée

Actuellement, la taille des modules de commande IGBT haute puissance reste relativement importante. Afin d'accroître la tenue en tension d'isolation, un transformateur est généralement utilisé. Cependant, la taille et le poids de ce transformateur sont relativement élevés, et son intégration est complexe. Par conséquent, les futurs systèmes de commande utiliseront des composants plus petits et plus faciles à intégrer.IsolateurDes composants tels que des transformateurs piézoélectriques ou des technologies d'intégration magnétique avancées permettent de réduire la taille et le poids des composants d'isolation et d'accroître l'intégration [7]. Il est probable que, dans le futur, l'IGBT de puissance et son circuit de commande soient intégrés dans un même module. L'utilisateur n'aura alors qu'à injecter directement le signal de commande dans le module de puissance pour piloter l'IGBT.

(2) Tension d'isolation plus élevée

Les drivers actuels utilisent des optocoupleurs et des transformateurs pour assurer l'isolation. Les optocoupleurs présentent l'avantage d'être compacts, mais souffrent d'inconvénients tels qu'une tension d'isolation relativement faible, un vieillissement rapide et un temps de réponse important. L'isolation par transformateur offre une tension d'isolation plus élevée et un temps de réponse plus court, mais est plus encombrante. C'est pourquoi, lorsqu'une isolation haute tension est requise, on utilise généralement des transformateurs. Actuellement, la tension d'isolation maximale d'un module de drive isolé par transformateur est d'environ 3 300 V. La tension maximale des IGBT atteint 6 500 V. Pour s'adapter aux applications haute tension, il est nécessaire d'utiliser des drivers avec une tension d'isolation plus élevée.

(3) Puissance motrice accrue

La capacité des modules IGBT ne cesse d'augmenter, et l'intensité admissible d'un seul module peut déjà atteindre 3 600 A. Afin d'accroître cette capacité, on recourt souvent à leur montage en parallèle, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de puissance de commande. Le courant de sortie maximal du pilote doit être augmenté en conséquence, notamment lorsque plusieurs modules sont utilisés en parallèle : la puissance de sortie moyenne du pilote doit alors atteindre 5 à 10 W, et le courant de sortie maximal instantané doit dépasser 30 A.

(4) Fréquence de commutation plus élevée

Pour s'adapter aux applications d'alimentation pour le chauffage par induction, la fréquence de commutation des IGBT ne cesse d'augmenter. Grâce aux progrès des techniques de fabrication, cette fréquence peut désormais dépasser 100 kHz, permettant ainsi de remplacer partiellement les transistors MOS de puissance. Pour le circuit de commande, cela implique une puissance de commande plus élevée, des temps de propagation et de montée/descente des impulsions de commande plus courts, ainsi qu'un courant de commande maximal instantané plus important.

(5) Fonctions plus complètes

La technologie de commande de grille actuellement la plus répandue ne permet pas de contrôler les variations de tension (di/dt et dv/dt) induites par la commutation des IGBT, et donc les interférences électromagnétiques (IEM) du circuit de conversion. La technologie de commande de grille active, quant à elle, permet de contrôler efficacement ces variations plus importantes. Elle contribue ainsi à un fonctionnement plus sûr des IGBT, réduit les IEM générées lors de leur commutation et, par conséquent, diminue l'absorption du circuit tampon de l'IGBT. Parmi les technologies de commande de grille active, la technologie à trois étages présente un fort potentiel d'application [8]. De plus, pour répondre aux besoins des applications IGBT série et parallèle, le circuit de commande doit également intégrer des fonctions de partage dynamique de tension et de courant.

4Conclusion

Composant semi-conducteur clé des systèmes d'électronique de puissance, l'IGBT connaît une croissance continue depuis plusieurs années. Grâce à ses performances en constante amélioration, il permet d'atteindre une efficacité et une fréquence de commutation plus élevées, ainsi qu'une miniaturisation des convertisseurs de puissance. Ses applications se sont ainsi largement étendues, non seulement dans l'industrie, mais aussi dans de nombreux autres systèmes de conversion de puissance, où il a remplacé les transistors bipolaires de puissance.transistor(gtr), power mostransistor à effet de champ(mosfet), même une fermeture de porte alternative se produitThyristor(gto) Tendances réalistes. La technologie des modules de commande IGBT haute puissance continuera de progresser, et le niveau d'intégration augmentera également, réduisant ainsi la consommation d'énergie et les interférences électromagnétiques des IGBT, et améliorant la fiabilité du système. Avec le développement des technologies de fabrication des IGBT et l'élargissement de leurs domaines d'application, les exigences en matière de performances des variateurs augmentent constamment. Afin de répondre aux exigences de performance de la nouvelle génération d'IGBT, différents fabricants de variateurs développent des produits aux performances encore plus complètes.

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