Etude, conception et réalisation de circuits de commande d'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Lefranc Pierre

Description

A-PDF Split DEMO : Purchase from www.A-PDF.com to remove the watermark1.3LesmodulesIGBTdepuissanceD·Δα·ΔT·ES = (1.1)2·esD : DiagonaledelapuceΔα : DifférencedecoefficientdedilatationSi brasureΔT : DifférencedetempératureentrelesdeuxmatériauxE : Moduled’élasticitéYoungdumatériaues : EpaisseurdelabrasureOndistinguetroistypesdebrasures:• brasure élastique : (dite brasure dure) à base de molybdène, a pour avantagesd’avoir un coefficient de dilatation identique au silicium et un coefficientd’élasticitéélevé.• brasuretendre:àbasedeplomb,d’étainetd’argentavecdesalliagesdemétauxcommel’indiumetl’antimoine.• colleepoxychargéed’argent:pratiquemaissafiabilitéresteàêtreéprouvée.Pour les isolants, on distingue plusieurs matériaux utilisés dans l’industrie :alumine(Al O );berylium(BeO);nitrured’aluminium(AlN).2 3Pour les semelles, on utilise couramment le cuivre pour obtenir une bonne19conductivité thermique et l’AlSiC (mélange d’aluminium et de carbure de sili-cium)pourunebonnefiabilitélorsdecyclagesthermiques.Le mode de défaillance des soudures est dû à la fatigue thermique sous l’ef fet de cyclage thermique. Les structures d’empilage se déforment selon des cyclesimposés par les pertes dans le composant. On rencontre le plus souvent les phé nomènes de fatigue thermique dans les modules IGBT utilisés pour la traction.20On utilise alors des semelles AlSiC avec isolant AlN . Le tableau 1.2 montre lescoefficientsdesmatériauxutiliséspourl’électroniquedepuissance ...

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Extrait

D S= ∙Δ 2 α∙ ∙ ΔT∙E es D: Diagonale de la puce Δα: Différence de coefficient de dilatation Si-brasure ΔT de température entre les deux matériaux: Différence E: Module d’élasticité Young du matériau es: Epaisseur de la brasure

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(1.1)

1.3 Les modules IGBT de puissance

ramr

On distingue trois types de brasures : •brasure élastique: (dite brasure dure) à base de molybdène, a pour avantages d’avoir un coefficient de dilatation identique au silicium et un coefficient d’élasticité élevé. •brasure tendre: à base de plomb, d’étain et d’argent avec des alliages de métaux comme l’indium et l’antimoine. •colle epoxy chargée d’argent: pratique mais sa fiabilité reste à être éprouvée. Pour les isolants, on distingue plusieurs matériaux utilisés dans l’industrie : alumine (Al 2 O 3 ) ; berylium (BeO) ; nitrure d’aluminium (AlN). Pour les semelles, on utilise couramment le cuivre pour obtenir une bonne conductivité thermique et l’AlSiC 19 (mélange d’aluminium et de carbure de sili- cium) pour une bonne fiabilité lors de cyclages thermiques. Le mode de défaillance des soudures est dû à la fatigue thermique sous l’ef- fet de cyclage thermique. Les structures d’empilage se déforment selon des cycles imposés par les pertes dans le composant. On rencontre le plus souvent les phé- nomènes de fatigue thermique dans les modules IGBT utilisés pour la traction. On utilise alors des semelles AlSiC avec isolant AlN 20 . Le tableau1.2montre les coefficients des matériaux utilisés pour l’électronique de puissance. Les figures suivantes montrent la composition du module Eupec FZ1200R33KF2. Ce composant constitue un seul IGBT avec diode anti-parallèle. Il est constitué de six zones chacune constituée de quatre puces IGBT 50A et deux puces diode de 100A : voir figure1.22. Sur la figure1.23plus en détail une zone constituée de deux puces, on montre IGBT et une puce diode. On voit apparaître plus clairement les systèmes de connexion en bus-barre et par "bonding". Sur la figure1.24apparaître l’empilage des puces, de l’isolant et de la, on fait semelle. On distingue difficilement les soudures (couches très fines). 19 Aluminium + Carbure de Silicium 20 Nitrure d’Aluminium

k ehtetawem re ovcoF.tom -ADPww.wor mesf rcha: PuEMO it DlpS FDP-A

1.3 Les modules IGBT de puissance

matériauxCoefficient Module de dilatation Young [ppm/°C] [GPa] Acier (Fe+C) 11 200 Aluminium (Al) 23 70 Antimoine (Sb) 11 Cuivre (Cu) 16 130 Etain (Sn) 20 50 Fer (Fe) 12 210 Germanium (Ge) 6 200 Kovar (Ni+Fe) 13 Molybdène (Mo) 5 325 Nickel (Ni) 13 200 Or (Au) 14 78 Plomb (Pb) 29 16 Silicium (Si) 4 200 Tungstène (W) 4.5 430 Tantale (T) 6.5 soudures Au + 20 Sn 16 48 Au + 3 Si 12 80 PbAgIn 28 Pb + 5 Sn Sn + 3.5 Ag + 1.5 Sb Sn + 10 Ag + 10 Sb Sn + 25 Ag + 10 Sb SnSb 26 Mica 3 Quartz (SiO 2 ) 13 Alumine (Al 2 O 3 ) 6 Berylium (BeO) 6 Nitrure d’alumi- 6 nium (AlN)

isolants 310 340

Charge de Limite élas- rupture tique [MPa] [MPa] 450 300 100 80 180 170 250 290 200 450 300 650 500 520 360 200 15 10 100 250 230 13 20 47 65

193 158

200 200 10 15 30 50

T AB . 1.2 – Propriétés mécaniques des matériaux de l’électronique de puissance

19

1.3 Les modules IGBT de puissance

F IG – Module IGBT FZ1200R33KF2 avec et sans boîtier plastique. 1.22

F IG . 1.23 – Puces IGBT et diodes FZ1200R33KF2

20

1.3 Les modules IGBT de puissance

F IG . 1.24 – Empilage des couches puces - isolant - semelle FZ1200R33KF2

Boîtiers "press-pack" Nous avons vu dans le paragraphe précédent que l’empilage puce - isolant - se- melle est soumis à des contraintes mécaniques lors de cyclages thermiques menant à la détérioration des soudures (et des résistances thermiques de ce fait). De même pour les bondings qui sont soumis à des forces électromagnétiques et contraintes thermiques. A partir de ce constat, il est intéressant de supprimer les soudures. C’est possible grâce à la technologie "press-pack" qui élimine les soudures grâce à une pression permanente en fonctionnement par le système de "clamp". Cette solution est utilisée pour les diodes, thyristors, IGCT et IGBT dans le cadre d’ap- plications de traction par exemple où les problèmes de cyclage thermique sont les plus sévères. [Sch01] présente une description d’un IGBT press-pack 6.5kV - 650A. Il est constitué de 21 puces IGBT en parallèle. Une puce est représentée figure1.25avec les connexions métalliques.

F IG . 1.25 – Coupe d’un IGBT press-pack Grâce à cet empilage, la résistance thermique du composant est améliorée par 21

1.4 Bilan et perspectives

F IG . 1.26 – Montage press-pack

rapport à un boîtier plastique car un radiateur est présent sur les deux faces du composant. La résistance thermique du composant dépend de la force de serrage du "clamp" [Eva99]. La figure1.26montre un montage de composant press-pack avec les radiateurs et le clamp.

1.3.5 Les diodes des modules IGBT Dans les modules IGBT de puissance, les diodes sont montées en anti-parallèle. Elles jouent le rôle de roue-libre dans les onduleurs de tension à commutation dure dans la plupart des applications. Elles doivent supporter la même tension que les puces IGBT, avoir une chute de tension la plus faible possible, avoir un recouvre- ment le plus faible possible pour minimiser les pertes à la fermeture de l’IGBT. Les diodes jouent un rôle important dans la performance du module IGBT (pertes en commutation et conduction). La technologie des puces diode évolue en même temps que celle des puces IGBT car les performances du module IGBT dépendent des puces diodes et IGBT.

1.4 Bilan et perspectives Les constructeurs proposent à l’heure actuelle une large gamme de produits qui permet au module IGBT de trouver sa place dans bon nombre d’applications. Pour représenter l’état actuel (2005) des possibilités des modules IGBT, on propose le graphique de la figure1.27qui donne les courants coupés maximums en fonction des tensions de blocage pour trois types de modules IGBT : 22

1.4 Bilan et perspectives

– single : module IGBT simple – dual : module IGBT double – six-pack : module IGBT pour onduleur triphasé Ce graphique est donné pour le constructeur Eupec. Il donne un bon aperçu de l’état actuel du marché de l’IGBT.

F IG . 1.27 – Gamme de modules IGBT du constructeur Eupec, boîtiers single, dual et six-pack

On remarque que les possibilités à venir sont importantes, notamment pour les boîtiers "dual" qui représentent une part de marché très importante. En effet, ces boîtiers sont parfaitement adaptés pour la réalisation d’onduleurs. Les boîtiers "single" 6500V-600A ont un intérêt pour les applications haute-tension pour s’af- franchir de la mise en série de composants. Les boîtiers "six-pack" sont intéressants pour la réalisation compacte d’onduleurs triphasés à tension réseau (réseau 380V). Les avancées technologiques se situent sur la tenue en tension des modules (modules 6500V commercialisés à l’heure actuelle) et l’optimisation du compro- mis pertes en commutation - pertes en conduction des modules 1200V - 1700V - 3300V. En effet, comme vu précédemment (paragraphe1.3.3page8), les constructeurs se sont lancés dans une course aux dénominations des technologies de puce (FS, LPT, SPT, IEGT, CSTBT, HiGT) qui ont toutes le même objectif : réduction des pertes et amélioration de la fiabilité des modules. Du point de vue de la tenue en tension, l’avancée de la technologie silicium semble être faible. Pour comparaison, le plus gros calibre en tension pour les diodes de redressement est de 10kV. Le prochain saut technologique se situe certainement dans le camp du carbure de silicium (SiC) qui permettrait à long terme de dépasser les limites actuelles du silicium malgré le problème de mobilité du SiC compro- 23

1.5 Conclusion

mettant pour l’IGBT.

1.5 Conclusion

Le début du chapitre a été consacré à l’historique de l’IGBT et à son com- portement physique. Ensuite, nous avons vu les différentes technologies de cellule IGBT dont les principales sont : punch through, non punch through et trench gate. Les nouvelles structures et technologies de cellules ont été exposées pour clarifier les termes propres à chaque constructeurs (FS, IEGT, CSTBT, HiGT. . . ). Enfin, nous avons décrit les principaux avantages et inconvénients des boîtiers plastiques et press-pack. Dans le chapitre suivant, nous présentons le composant indissociable au mo- dule IGBT : le driver d’IGBT.

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Chapitre 2

Etat de l’art des circuits de commande d’IGBT

Dans ce chapitre, nous présentons l’environnement et les fonctions associées aux circuits de commande des modules IGBT. Pour chaque fonction, nous expo- sons les objectifs à atteindre puis les solutions technologiques employées et envi- sageables.

2.1 Description des circuits de commande d’IGBT dans leur environnement Le circuit de commande de module IGBT est communément appelé "driver". Nous gardons cette dénomination pour la suite du manuscrit. La définition d’un driver de module IGBT est relativement simple : c’est un circuit qui doit piloter tout type de module IGBT dans tout type de convertisseur statique (hacheur, onduleur, redresseur commandé, convertisseur matriciel,. . .). Le pilotage consiste à provoquer et contrôler les passages de l’état bloqué à l’état passant. Dans l’objectif d’intégrer ce produit dans les convertisseurs industriels, il faut avoir comme objectif de réaliser un driver dont le prix est en accord avec ceux des modules IGBT et des convertisseurs. Ceci passe par l’utilisation des solutions technologiques fiables et peu coûteuses. •Pilotage : Le driver a pour rôle de piloter un module IGBT en fonction des ordres qu’il reçoit d’une commande globale (voir figure2.1). Le module IGBT peut être composé d’un bras d’onduleur avec diodes de roue libre ou bien d’un seul IGBT avec diode de roue libre (figure2.2). •Sécurité : Le driver doit effectuer la sécurité rapprochée du module qu’il pilote pour améliorer sa survie en cas de défaut. En cas de sur-intensité dans le composant de puissance

25

2.1 Description des circuits de commande d’IGBT dans leur environnement

F IG . 2.1 – Synoptique commande - driver - module IGBT - convertisseur statique

(a)

(b)

F IG . 2.2 – Topologie de modules IGBT double et simple

26

2.2 Commande de grille des modules IGBT

par exemple, le driver doit couper l’IGBT et envoyer une information d’erreur à la commande globale. En cas d’ouverture en court-circuit, le driver doit piloter l’ou- verture de l’IGBT de telle manière que sa tensionV ce ne dépasse pas sa tension de claquage. Des mesures et estimations de température peuvent être effectuées pour la sécurité thermique des modules IGBT. Des sécurités en di/dt et dv/dt peuvent être implantées pour compléter les sécurités en court-circuit et sur-intensité. •Isolation galvanique : Pour répondre à tous les types de module IGBT et tous les types de convertisseurs statiques, les ordres qui proviennent de la commande globale et appliqués sur la grille de l’IGBT concerné doivent être isolés galvaniquement. La qualité de cette isolation galvanique tient dans sa tenue en tension statique qui permet de piloter des IGBT à des potentiels flottants (300V, 600V, 800V, 1500V,∙ ∙ ∙) et également à ses caractéristiques dynamiques qui donneront au driver la possibilité de piloter des modules IGBT de plus en plus rapides sans problèmes de CEM (dv/dt) sur l’électronique du driver. La commande de grille nécessite une puissance pour ouvrir et fermer l’IGBT (charge et décharge des charges stockées dans la grille de l’IGBT). Il faut donc transmettre cette puissance avec une isolation galvanique du potentiel de la com- mande globale au potentiel flottant (ou non flottant) de l’IGBT. La qualité de cette alimentation isolée est soumise aux mêmes caractéristiques que la transmission d’ordre : il faut tenir la tension statique et minimiser les capacités de couplage entre le primaire et le secondaire de l’alimentation isolée. Les capacités parasites entre le primaire et les secondaires ont pour effets de générer des courants de mode commun lors des variations de tension sur les secon- daires. Ces courants circulent au primaire du driver et au niveau de la commande globale. Ils peuvent perturber l’électronique au primaire du driver et au niveau de la commande globale et ensuite provoquer des dysfonctionnements. Pour synthétiser les caractéristiques précédentes, on représente figure2.3le synoptique d’un driver de module IGBT. On fait apparaître la notion de primaire et secondaire pour l’isolation galvanique. Dans la suite de ce chapitre, nous présentons les quatre grandes fonctionnalités des drivers de modules IGBT : •commande de grille •protection des modules IGBT •transmission des ordres •transmission de puissance

2.2 Commande de grille des modules IGBT Le but principal de la commande de grille est de faire commuter l’IGBT (charge et décharge de la grille de l’IGBT, élément à comportement capacitif). Ensuite, différentes contraintes viennent s’ajouter : 27

2.2 Commande de grille des modules IGBT

F IG . 2.3 – Synoptique du driver d’IGBT

•contrôle de la vitesse de commutation •respect des aires de sécurité des composants de puissance •minimisation des pertes en conduction et commutation

A partir de la fonction principale et des contraintes précédentes, on aboutit à une multitude de solutions : •commande en tension •commande en courant •commande mixte (tension et courant) •commande en tension avec plusieurs résistances commutables •commande en tension et courant avec valeurs ajustables dans le temps •commande à résonance

2.2.1 Commande en tension La commande en tension consiste à faire commuter l’IGBT avec une source de tension commutable (deux états stables possibles) et une (ou deux) résistance(s) de grille. La source de tensionV g passe deV dd àV cc pour la fermeture et deV cc àV dd pour l’ouverture : la figure2.4représente cette solution. Nous nous intéressons aux solutions technologiques pour réaliser la source commutableV g . Nous disposons de deux sources de tension aux valeursV cc et 28