
Avantages de la conception IPM et points à prendre en compte lors du choix
Avantages de l’utilisation de la conception IPM et points à prendre en compte lors du choix
Norman Day
Brève introduction
Parce que la structure du circuit de puissance entraînée par un moteur monophasé ou triphasé est déjà très mature et stable, le module de puissance intégrant l’interrupteur de puissance et le circuit de commande de cette partie a eu un impact révolutionnaire sur le concept de conception des variateurs de fréquence depuis son introduction. Avec la maturité des technologies d’encapsulation des modules et la baisse rapide des coûts, il existe une tendance à remplacer progressivement les composants traditionnels pour devenir la solution dominante de la conception système. Ce module de puissance intégré porte un nom très utilisé, à savoir module de puissance intégré/intelligent, abrégé en IPM [1]. Malheureusement, la plupart des concepteurs considèrent encore ce type de composant comme une boîte noire. Ils l’abandonnent par crainte de ne pas pouvoir maîtriser les problèmes susceptibles d’en découler, ou ne peuvent accepter que l’influence de certains fabricants de référence et former des idées fallacieuses. Pourtant, ni la première ni la seconde attitude ne devraient dispenser les concepteurs d’adopter une position claire face à la tendance de l’intégration des alimentations. Ce n’est qu’en choisissant un concept de conception compétitif et en maîtrisant pleinement les caractéristiques ainsi que les limites des composants utilisés que l’on peut s’assurer de ne pas être dépassé par un marché en évolution rapide.
Avantages de l’utilisation de la conception IPM
En termes de coût unitaire, l’IPM a certes du mal à rivaliser avec les composants séparés déjà standardisés et produits en grande série. Cependant, se limiter au coût matière d’un produit global n’est pas la vision qu’un concepteur devrait avoir ; il faut donc élargir l’angle d’analyse. Ici, l’auteur le divise en trois niveaux — performance, fiabilité et prix — afin d’examiner les différences induites par l’utilisation de l’IPM comme architecture système.
Performances :
(1) Réduire considérablement le nombre de composants et la surface requise par le circuit imprimé
(2) Offrir des solutions à forte isolation et à bonne dissipation thermique
(3) Réduire considérablement la complexité du routage
(4) Réduire l’effet d’inductance parasite de la connexion du composant de puissance et du circuit de commande
Les cristaux intégrés en interne présentent des caractéristiques électriques similaires
(6) Peut réagir en temps réel à toutes sortes de protections contre les anomalies


Les avantages du premier point sont évidents. La figure (1) fournit des données quantitatives à titre de référence. Le deuxième avantage découle des différences apportées par les différents procédés. Lorsqu’on utilise le composant séparé traditionnel dans la conception, comme la source ou le collecteur du cristal de puissance interne est directement relié au boîtier métallique nu, afin d’obtenir une conception à forte isolation et à bonne conduction thermique, en plus de choisir un joint isolant à coût unitaire élevé, cela complique aussi l’opération de production, rend difficile la maîtrise des anomalies du produit fini assemblé, et s’avère très coûteux
temps d’assemblage. L’IPM rompt avec l’idée que la conception traditionnelle ne peut que tourner autour des problèmes ci-dessus, et propose une véritable solution offrant une forte isolation et de bonnes performances de dissipation thermique. Le schéma de la figure (2) présente plus précisément la conclusion ci-dessus.
La figure (3) montre le schéma de circuit utilisant des composants traditionnels, et la figure (4) montre le schéma de circuit utilisant l’IPM. Les deux assurent la même fonction, mais le circuit obtenu avec la conception IPM est relativement simple. En réalité, le schéma de la figure (IV) ci-dessus met surtout en évidence la comparaison de simplification entre le circuit de puissance et le circuit de commande. Si l’on présente également dans la figure (IV) le résultat d’une simplification supplémentaire du circuit utilisant l’alimentation auxiliaire et l’échantillonnage de courant correspondant à l’IPM, la différence de simplification du circuit sera encore plus marquée.
Dans les critères de conception des composants traditionnels, réduire l’inductance de fuite de la connexion entre les lignes et raccourcir autant que possible la boucle entre l’IGBT et le circuit intégré de commande afin d’obtenir une contrainte de commutation et des interférences de ligne plus faibles a toujours été l’orientation des concepteurs de systèmes. Cependant, en prenant le schéma de la figure (5) comme exemple, la connexion du collecteur et de l’émetteur de l’IGBT présente des effets d’inductance parasite d’ampleur variable. Pour réduire ces effets, le chemin entre les boîtiers traditionnels doit être court et large. Il faut donc utiliser un circuit imprimé multicouche ou augmenter la surface du circuit imprimé pour répondre à ces exigences. L’IPM permet de résoudre efficacement ces effets parasites au niveau du boîtier. La raison est que, quelle que soit la proximité du circuit intégré de commande par rapport à l’interrupteur de puissance (IGBT ou MOSFET de puissance) obtenue par le placement sur circuit imprimé, elle ne peut pas être plus proche que lorsqu’il est directement placé à côté de l’interrupteur de puissance sous forme de cristal nu. De même, si chaque interrupteur de puissance est directement relié sur le lead frame par bonding par fil, cela sera bien plus faible que la connexion via les broches du composant traditionnel lui-même puis à travers la feuille de cuivre du circuit imprimé.
La caractéristique mentionnée au cinquième point est que l’IPM peut résoudre directement le problème de contrôle d’assemblage anormal qui préoccupe le concepteur du système au niveau de la wafer.
Les fabricants japonais adoptent généralement une attitude stricte en matière d’assemblage des systèmes. La pratique consiste à mesurer les caractéristiques de chaque cristal de puissance avant l’assemblage en ligne. Pendant la production et l’assemblage, les composants présentant des caractéristiques similaires doivent être montés sur le même PCB afin de réduire les problèmes potentiels causés par les écarts de paramètres des composants dans le système lors de la production de masse. Par exemple, si le temps de blocage et le temps de coupure du bras supérieur sont conformes aux spécifications, mais proches de la limite supérieure, tandis que les caractéristiques d’amorçage du bras supérieur sont exactement l’inverse, l’ajout de l’effet non linéaire provoqué par l’élévation de la température de fonctionnement augmentera fortement la probabilité que les bras supérieur et inférieur conduisent simultanément lors de la commutation, entraînant une consommation d’énergie supplémentaire. De plus, la conception initiale du dissipateur thermique reposait sur l’hypothèse que la puissance thermique de chaque cristal était équivalente, mais si cette hypothèse s’applique également au paramètre V(CE), la répartition inégale de la chaleur peut encore provoquer un emballement thermique et conduire à une défaillance du système. Mais dans ce cas, en raison de l’exception de correspondance
Les problèmes potentiels qui en découlent sont soit ignorés par les concepteurs, soit écartés par la direction en raison de leur impact sur les bénéfices et les coûts. Même lorsqu’un tel concept existe, le concepteur ne peut que recourir à une marge de conception plus importante pour le compenser, par exemple en augmentant le temps mort et la surface du dissipateur thermique afin d’obtenir une température de fonctionnement plus basse, etc. Toutefois, le prix à payer est une baisse des performances du système et une hausse du coût des matériaux. En réalité, après le test de chaque wafer, on dispose déjà d’un diagramme de distribution des caractéristiques de chaque cristal nu, mais ces informations de distribution disparaissent lorsque chaque cristal nu sur le wafer est encapsulé sous forme de TO220 ou TO247, tout comme elles disparaissent pour le circuit intégré haute tension utilisé pour piloter le cristal de puissance. Le processus de fabrication des IPM commence à partir du wafer entier, ce qui permet d’assurer, dès l’étape du collage des puces, la symétrie et l’adéquation des caractéristiques des cristaux triphasés au sein d’un même module en utilisant la méthode consistant à choisir les cristaux nus adjacents dont les caractéristiques sont les plus proches. En adoptant une logique de procédé différente, on peut résoudre facilement ce problème difficile de la conception traditionnelle.
Le résultat du sixième point découle de l’amélioration du quatrième. La rapidité de la protection relève d’un écart de l’ordre de la microseconde, voire de la nanoseconde. Éviter les dysfonctionnements du système et accélérer la réactivité de la protection est souvent un dilemme pour les concepteurs de systèmes. Ainsi, la réduction de l’inductance parasite permet non seulement de diminuer le retard de transmission du signal anormal lui-même, mais aussi de réduire la constante de la ligne de filtrage, améliorant ainsi la vitesse de réponse du circuit intégré au signal anormal. De cette manière, on peut également réduire le taux de défaillance causé par l’absence de protection à temps du signal anormal.


Fiabilité
(1) Réduire de manière significative les défaillances potentielles du personnel de production causées par la complexité du processus d’assemblage
(2) Offrir une structure plus robuste que l’emballage traditionnel
(3) L’ensemble du système affichera un taux de défaillance plus faible
L’amélioration du premier point est très significative. La méthode d’assemblage des composants traditionnels est non seulement complexe, mais aussi répétée de nombreuses fois ; ainsi, certains défauts d’alignement, l’absence de serrage de l’écrou d’isolement, des fissures internes invisibles du cristal, ou des dommages à la feuille isolante sont difficiles à prévenir. En outre, ces problèmes potentiels peuvent ne pas être détectés efficacement. Par conséquent, si les composants semi-conducteurs doivent être montés en parallèle en raison de la relation de puissance nominale, le nombre de cristaux peut passer de six à douze ou plus, et la probabilité de défaillances potentielles liées à l’assemblage est plus élevée. La figure (6) illustre plus clairement l’explication ci-dessus.
En règle générale, les contraintes vibratoires des composants discrets se propagent facilement jusqu’au cristal nu interne par l’intermédiaire des broches, que ce soit lors du serrage des vis, du pliage des pattes ou même pendant le transport du produit fini. Les contraintes mécaniques supportées par les cristaux nus proviennent principalement des déformations causées par les variations thermiques du circuit intégré interne ou de l’environnement d’utilisation du boîtier. Ainsi, que ce soit directement au stade de l’assemblage ou indirectement en raison des déformations provoquées par les contraintes thermiques, l’IPM offre une solution structurelle plus robuste que les composants séparés d’origine.
Le troisième argument repose sur le fait que, si le taux de défaillance de l’IPM est équivalent à celui des composants traditionnels, il faut utiliser 20 ou 30 composants pour obtenir un mode fonctionnel équivalent. Le taux de défaillance potentiel de l’ensemble du système est alors naturellement bien plus élevé que celui d’un seul composant. Cependant, la validité de cet avantage reste sujette à discussion et concerne de nombreux aspects. Peut-être qu’un dossier spécial pourra être consacré à ce sujet à l’avenir.
Coût global
(1) Réduction des coûts de qualité grâce à une fiabilité accrue
(2) Réduire considérablement le temps de développement produit pour les concepteurs
(3) Réduire les coûts de perçage du dissipateur thermique et du circuit imprimé
(4) Réduire les heures de travail consacrées à l’assemblage et au contrôle par le personnel de production
Il n’est pas difficile de prévoir les avantages ci-dessus, mais les résultats quantitatifs doivent encore être évalués plus en détail à partir des procédures de développement et des coûts qualité de chaque entreprise. L’auteur estime que, même si les résultats ne vous incitent pas à abandonner la solution traditionnelle mature pour choisir l’IPM, une telle démarche est absolument utile pour la réflexion sur le choix de la solution et la conception du système.
Précautions à prendre lors du choix d’un IPM
Bien que l’utilisation de l’IPM présente de nombreux avantages, en termes de maturité de validation sur le marché et de complexité des composants eux-mêmes, l’IPM reste moins facile à maîtriser que les composants séparés traditionnels ; par conséquent, la sélection du module IPM
dans la conception des blocs doit rester très prudente. La discussion suivante peut fournir quelques références aux concepteurs.
Considérations orientées chaîne d’approvisionnement
(1) Capacité des fournisseurs et des fabricants à maîtriser les écarts de processus
(2) Existe-t-il une solution de remplacement lorsque le fournisseur est en rupture de stock
(3) Assistance technique du fournisseur et mécanisme global d’assurance qualité de la chaîne d’approvisionnement pour les clients
(4) Amélioration et gestion du retour d’information issu des applications sur le marché
Considérations relatives à la conception du module
(1) Structure du boîtier
(2) La disposition des composants internes est-elle raisonnable
(3) La conception du circuit périphérique d’adaptation est-elle facile à maîtriser
(4) Robustesse du circuit intégré de commande et du cristal semi-conducteur de puissance
En raison des limitations d’espace, ce qui suit ne traite que des points clés des parties pertinentes de la conception du module.
Structure du boîtier
Caractéristiques d’une bonne conception de boîtier de puissance
Une bonne conception de boîtier de puissance doit présenter une grande résistance structurelle, un procédé de fabrication simple, une forte isolation, une bonne conduction thermique et une faible résistance thermique.
Le niveau de résistance de la structure détermine si la surface de jonction de la structure à l’intérieur du module et le système de matériaux sont sujets à des défauts et à des défaillances dans des conditions de variation thermique rapide et de vibrations mécaniques prolongées.
Le procédé simple montre que le processus contrôle bien les anomalies et que les défauts potentiels du procédé peuvent être facilement détectés.
L’exigence d’une bonne conduction thermique est que, lorsque l’élément semi-conducteur génère instantanément une forte consommation d’énergie (par exemple lors d’un court-circuit ou d’une commutation anormale), la chaleur puisse être conduite immédiatement afin d’éviter que l’élément semi-conducteur ne provoque un effet de point chaud entraînant une destruction instantanée.
L’objectif d’une faible résistance thermique est d’évacuer la chaleur une fois que le corps chauffant atteint l’état stable d’équilibre thermique, afin d’éviter l’accumulation de chaleur et une défaillance prématurée des composants.
Différences entre diverses structures de boîtiers de puissance

Figure 7 Figure 8 figure 9
Les figures (7), (8) et (9) représentent plusieurs structures d’emballage IPM typiques présentes sur le marché. Nous utilisons ensuite les conclusions mentionnées ci-dessus pour vérifier les avantages et les inconvénients de ces trois structures.
La structure de la figure (7) consiste à placer l’IC de commande et le semi-conducteur de puissance sur le lead frame dans le même plan ; le substrat céramique est directement utilisé comme matériau d’isolation et de conduction thermique vers le dissipateur, puis l’ensemble de la structure est surmoulé avec un composé de moulage, à l’instar d’un composant discret encapsulé. Cette structure d’emballage peut être qualifiée de simple et robuste, mais plusieurs points nécessitant une attention particulière sont présentés ci-dessous.
Le premier point est que, bien que le substrat céramique soit un matériau hautement isolant, il n’est pas facile à conduire la chaleur, et son effet sur la dissipation des points chauds instantanés sera relativement faible. Par conséquent, il faut porter une attention particulière à la capacité du lead frame portant le semi-conducteur de puissance à assurer une conduction thermique instantanée sans former de points chauds. En même temps, à épaisseur égale, la résistance thermique d’un substrat céramique est bien plus élevée que celle de l’aluminium, sans parler du cuivre. Ainsi, à température égale du dissipateur, la température de la puce de puissance à l’intérieur du module est plus élevée que dans un module utilisant de l’aluminium ou du cuivre. En bref, la plage de fonctionnement sûr du module sera relativement réduite. La seule façon pour le concepteur de se fier pleinement aux spécifications est de ne pas se baser uniquement sur ses propres estimations.
Le deuxième point concerne les matériaux et la technologie utilisés pour la surface de liaison du substrat céramique, car cela est lié à la possibilité, à long terme, de délamination, qui empêcherait la chaleur du semi-conducteur d’être évacuée normalement et provoquerait ensuite sa destruction. Le concepteur peut demander au fournisseur les conditions d’essai à cet égard, puis les comparer à celles de son propre système.
Comparer avec le système réel. Si l’équivalence entre l’essai du fournisseur et le fonctionnement réel du système ne peut pas être établie, il est recommandé de réaliser soi-même l’essai et de le confirmer.
Le troisième point concerne la fissuration du substrat céramique et les anomalies d’épaisseur. En général, plus le substrat céramique est épais, moins il est susceptible de se fissurer. Même s’il se brise, il est difficile qu’il se fissure en un interstice complet, ce qui entraînerait une fuite directe vers le dissipateur, fixé sur la surface du module, de la haute tension présente sur la borne de puissance ou de signal. Par conséquent, ce type de conception ne devrait pas poser de gros problème lors des essais de conformité de sécurité. En outre, bien que la conductivité thermique du substrat céramique ne soit pas aussi bonne que celle d’un bloc de cuivre ou d’aluminium, elle reste bien meilleure que celle de l’époxy utilisé dans la structure de la figure (8). Ainsi, l’épaisseur anormale de certains modules n’a qu’un faible impact sur les performances de dissipation thermique. Dans le même temps, l’écart entre le module et le plan du dissipateur dû à la température n’est pas manifeste, ce qui évite des problèmes de mauvaise conduction thermique.
La structure de la figure (8) utilise un bloc d’aluminium à la place du substrat céramique comme principal chemin de dissipation thermique. Théoriquement, elle devrait offrir une meilleure conductivité thermique que la structure de la figure (7). Cependant, il faut noter que la structure de la figure (8) utilise un procédé de double moulage afin d’assurer la haute tension à l’intérieur de l’IPM et de l’isoler du bloc d’aluminium servant à la conduction thermique. Autrement dit, le lead frame après implantation des puces est moulé une première fois, puis le bloc d’aluminium est placé sur le semi-produit après ce premier moulage, avant un second moulage. Par conséquent, plusieurs éléments importants doivent eux aussi retenir l’attention.
Le premier est le contrôle de l’épaisseur de la couche de colle isolante. Bien que l’adhésif isolant utilisé pour le moulage présente de fortes propriétés d’isolation, sa conductivité thermique correspondante est également très faible. Si l’erreur de contrôle d’épaisseur est trop importante, la conductivité thermique et la résistance thermique de chaque module seront fortement affectées.
Deuxièmement, la courbure anormale du plan du bloc d’aluminium et la déformation provoquée par la température créent un problème d’espace sur le plan de contact fixé au dissipateur, ce qui constitue également un point important à surveiller. D’après l’expérience de l’auteur, les concepteurs utilisant ce type de module peuvent réduire l’influence de cette partie en appliquant une pâte thermoconductrice. Cependant, le coefficient de dilatation thermique du bloc d’aluminium est bien plus élevé que celui de la colle utilisée pour l’encapsulation, et la contrainte causée par la déformation d’un bloc d’aluminium de même volume est bien plus grande que celle d’un substrat céramique. La version modifiée de la figure (8) consiste à remplacer le bloc d’aluminium par un bloc de cuivre, mais en le divisant en plusieurs morceaux et en le reliant directement au lead frame. Enfin, le gel de moulage est utilisé pour assurer l’isolation entre la haute tension à l’intérieur de l’IPM et l’extérieur. Une telle modification peut conserver des performances de résistance thermique similaires à celles de la structure de la figure (8), tout en offrant une meilleure conductivité thermique instantanée et en réduisant les contraintes causées par la déformation d’un bloc de cuivre entier sur l’ensemble du module. Comme le bloc de cuivre ne déborde pas, le plan de contact entre le module et le dissipateur sera plus uniforme, et le problème de déformation dû à la chaleur sera considérablement amélioré. La structure de la figure (9) consiste à abaisser directement la partie du lead frame portant la puce de puissance afin de porter l’IC de commande et la puce de puissance.
Le lead frame forme deux plans différents. L’objectif d’abaisser le lead frame est de rapprocher le plan de la puce de puissance de la surface du gel d’encapsulation de l’IPM en contact avec le dissipateur. Cette conception structurelle permet au lead frame d’être directement moulé et encapsulé, sans autres matériaux d’adaptation ni procédés dérivés après la plantation des puces sur le lead frame.
Outre l’épaisseur d’isolation, c’est aussi la structure la plus économique. Il est conseillé d’associer le dissipateur du système, la température de fonctionnement maximale possible et la tension de fonctionnement du système réel afin d’identifier la plage limite du module.
La disposition interne des composants est-elle raisonnable
Vérifier si la disposition des composants internes est raisonnable, notamment si la source de chaleur (pour la plupart les puces de puissance) est répartie sur le lead frame pour obtenir une répartition homogène de la chaleur, si le délai de commande des trois puces de puissance triphasées est cohérent et si le circuit de courant des puces de puissance des bras supérieur et inférieur est symétrique.


Il convient de mentionner que les concepteurs voient souvent, dans les spécifications, qu’IPM recommande que la tension du bus continu du système ne dépasse pas 450 V et que la tension de commutation ne dépasse pas 500 V (comme indiqué dans le tableau 1). Cela est dû à l’inductance de fuite équivalente formée par le câblage et le lead frame dans l’IPM,
La chute de tension peut être bien supérieure à la tension mesurée sur la broche de l’IPM. Afin de garantir que la chute de tension aux bornes de la puce de puissance interne ne dépasse pas la valeur nominale de 600 V, une telle plage limite a été définie.
En réalité, c’est parce que l’inductance de fuite du lead frame et du câblage est d’environ 10 à 20 nH, et que le taux de variation du courant lors de la commutation de l’IPM dépasse rarement 400 A/µs (généralement entre 200 A/µs et 300 A/µs). Ainsi, la différence de tension entre la broche et l’IGBT interne due à une variation brusque de tension devrait être inférieure à 10 V, ce que confirment les mesures réelles. En outre, presque tous les IGBT de tension nominale 600 V disposent d’une marge de plus de 100 V. En bref, il est peu probable que la tension aux bornes de l’IGBT à l’intérieur de l’IPM dépasse sa plage limite puis s’effondre à cause de la commutation. Il convient de noter que, afin de réserver davantage la zone dans laquelle la consommation de puissance de l’IPM pendant la commutation ne doit pas dépasser la plage de fonctionnement sûre, la probabilité de dépasser la limite de puissance est bien plus grande que celle de dépasser la limite de tension. Toutefois, on peut s’attendre à ce que plus la marge de conception est élevée, plus le taux de défaillance en application réelle sera faible. Lorsqu’il est difficile d’estimer le courant instantané, il s’agit d’un critère de conception indispensable que de réduire la tension aux bornes p-n.
En réalité, la relation entre la définition et la mesure de la zone de fonctionnement sûre de la puce de puissance, son application réelle et le taux de défaillance n’est pas seulement un sujet propre à l’IPM, mais aussi un vaste sujet de fond dans l’encapsulation discrète mature. Peut-être qu’un autre article spécial pourra être consacré à ce sujet la prochaine fois.
La conception des lignes d’adaptation périphériques est-elle facile à maîtriser
La plupart des conceptions de circuits d’adaptation périphériques des IPM ne diffèrent guère. En gros, il suffit de placer correctement les trois alimentations flottantes et les résistances de protection contre les courts-circuits du bras supérieur selon le schéma de référence, comme indiqué à la figure (11), puis de relier les signaux de commande des six bras. Cependant, chaque module est-il réellement aussi facile à concevoir que le prétend le manuel de référence ? Ce n’est pas forcément vrai. En réalité, le fondement de cette partie doit être déterminé par les composants semi-conducteurs choisis par le module et par les conditions d’application du système. En particulier, il faut prévenir les problèmes pouvant découler de l’IC de commande spécifique choisi par l’IPM. La discussion de cette partie est détaillée dans la référence [2].
En outre, il convient de mentionner s’il est plus fiable d’utiliser une logique de commande positive ou une logique de commande négative. L’auteur a rencontré un directeur de conception très expérimenté, qui croyait fermement à l’affirmation des principaux fabricants japonais et pensait que la commande en logique positive était beaucoup plus fiable que la commande en logique négative. En réalité, la logique négative présente une grande robustesse
Lorsque l’alimentation de l’IPM est anormale, l’interrupteur peut être mis hors tension en toute sécurité. Les deux modes de commande ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients. Il est impossible d’affirmer lequel est le plus fiable.

En se référant à la figure (XII), lorsque le niveau de bruit dépasse le niveau de commande reconnu par l’IPM, le mécanisme de la logique négative consiste à couper l’IGBT, tandis que la logique positive consiste à l’activer. En général, les états de commutation des bras supérieur et inférieur sont majoritairement complémentaires. Par conséquent, pour un IPM commandé en logique négative, le fait de couper pendant quelques microsecondes au maximum l’IGBT qui aurait dû être activé ne réduit que l’utilisation de la tension ; en revanche, pour un IPM commandé en logique positive, il existe un risque de conduction simultanée haut/bas, entraînant un court-circuit de bras. De plus, pour la conception en commande directe, bien que la commande en logique négative nécessite une résistance de rappel, la capacité de fan-out d’un MCU général est généralement plus faible que sa capacité d’absorption de courant, d’environ 1/5 à 1/10. Par conséquent, le risque lié à la commande en logique positive apparaît lorsque le port de sortie du MCU exige un courant de sortie élevé, et le niveau de commande peut être déclenché
Cependant, lorsque la commande en logique négative émet un niveau haut, le port de commande est en haute impédance, et le courant de commande est fourni par l’alimentation de la résistance de rappel ; il n’y a donc pas de problème de commande en logique positive.
Haute fiabilité de l’IC de commande et du semi-conducteur de puissance
Bien que l’IPM apporte de nombreux avantages que les composants traditionnels ne peuvent pas offrir en modifiant le type d’encapsulation, il faut noter qu’il ne modifie pas la fonction ni les caractéristiques essentielles du semi-conducteur. Par conséquent, si l’IC de commande et la puce semi-conductrice de puissance sélectionnés présentent des limitations d’application et des défauts, l’IPM
Ces limitations et ces défauts sont inévitables. Par exemple : si l’IPM du fabricant A est sélectionné
L’interrupteur de puissance est un IGBT à technologie non-pénétrante (NPT), tandis que le fabricant B a sélectionné un IGBT à technologie pénétrante (PT) ; les caractéristiques des deux IPM seront donc différentes. La technologie trench, récemment très répandue, est elle aussi une technologie dérivée du type pénétrant. Bien qu’elle améliore fortement l’inconvénient de la lenteur de commutation de l’IGBT pénétrant traditionnel, elle présente aussi les caractéristiques d’une faible tenue au courant de court-circuit et de paramètres sensibles aux variations de température. L’IC de commande utilisé est le même. Par conséquent, si l’on maîtrise pleinement la plage limitée du semi-conducteur choisi pour l’IPM face aux variations de température, au di/dt, au dv/dt et à la tension négative instantanée, afin de sélectionner l’IPM adapté aux exigences de l’application du système, alors la conception est déjà plus qu’à moitié réussie.
En ce qui concerne l’expérience de l’auteur, la vérification en environnement mixte permet facilement de détecter les défauts de conception du système grâce à la combinaison de contraintes de température, de vibration, de tension et de courant, mais elle complique grandement l’analyse des causes de défaillance. Si le concepteur a déjà bien compris, dans le schéma de conception des composants discrets, l’impact des différentes caractéristiques des composants sur le système, il est recommandé de demander au fournisseur de fournir les caractéristiques techniques, la validation de fiabilité et l’expérience d’application sur le marché des semi-conducteurs sélectionnés dans l’IPM par rapport aux composants d’encapsulation traditionnels ; cela devrait grandement aider à vérifier la fiabilité de l’IPM et les causes des défaillances en version discrète.
conclusion
Bien que l’IPM fournisse des solutions pour les moteurs triphasés ou les systèmes d’alimentation sans interruption à topologie à trois bras, il s’agit d’une solution destinée à simplifier la conception du système et à augmenter la densité de puissance. Cependant, en raison de ses spécifications d’encapsulation et de ses méthodes de fabrication uniques, il semble encore difficile de rivaliser, en termes de coût unitaire, avec les composants discrets d’encapsulation standardisés et produits en série. Néanmoins, selon la loi implacable selon laquelle le coût de toute technologie émergente finit nécessairement par être résorbé avec le temps, la tendance à remplacer l’encapsulation traditionnelle par l’encapsulation intégrée de puissance ne pourra pas être évitée. En plus d’expliquer clairement les différences de performance, de fiabilité et de coût global entraînées par l’utilisation de l’IPM dans la conception du système ; également combiné
La réflexion des concepteurs des fabricants de modules et celle des concepteurs de systèmes offre aux lecteurs différents niveaux de réflexion pour comprendre et sélectionner un IPM. En même temps, certaines idées trompeuses sont davantage clarifiées dans l’article. On espère que les lecteurs intéressés par l’utilisation de l’IPM, ou qui l’ont déjà utilisé, amélioreront leur compréhension de ce type de composants
Références :
1. Dai Zhizhan, « Introduction à l’encapsulation et aux applications des modules de puissance intelligents », Motor Technology e-Learning Network, n° 94, septembre 2004
2. Dai Zhizhan, « Conception d’IC de commande spécifiques pour circuits demi-pont / pont complet », Motor Technology e-Learning Network, numéro 184, juin 2006
3. « Power Electronics: Converters, Applications and Design », Mohan, Undeland et Robbins, Wiley, 1989
4. « Power Semiconductor Devices for Variable Frequency Drive », B. Jayant Baliga, 1994
5. T. Fukami, H. Senda, T. Onishi, T. Kushida, T. Shoji, M. Ishiko, « Proposal of screening technology for reverse biased safe operation area failure by unclamped inductive switching », Proceedings of IEEE, pp. 2053-2059, 2005 6. Fairchild Application Note 9016, K. S. Oh, fév. 2001
7. « Module de puissance pour la commande d’appareils électroménagers », IEEE Application Magazine, pp. 26-34, juillet 2002
8. Qiankun Technology, « séminaire technique sur le module d’alimentation intelligent pour l’entraînement de moteurs de forte puissance », mars 2005
9. Daizhizhan, « un nouvel amplificateur de puissance à découpage à haut rendement pour système à sustentation magnétique », mémoire de master, Institut d’ingénierie électrique, Université Tsinghua, juin 1995
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