Considérations pour l’utilisation d’un module IGBT en conception parallèle

Considérations de conception pour l’utilisation du module IGBT en parallèle

En raison du coût de production élevé, le prix des modules IGBT 1200 V de plus de 400 A sur le marché est élevé. Pour les modules standard 1200 V, 200–400 A de 62 mm, grâce à une technologie et des produits relativement stables, à une bonne polyvalence et à une grande facilité de remplacement, la solution la plus économique à ce stade consiste à utiliser plusieurs modules IGBT standard en parallèle afin d’augmenter le courant admissible. Toutefois, en raison de l’incohérence des paramètres propres aux IGBT et de l’asymétrie possible liée à l’implantation du circuit, l’utilisation de modules IGBT en parallèle n’est pas une tâche simple. Un choix inadapté des composants de mise en parallèle peut facilement entraîner une défaillance du dispositif et endommager les pistes du système principal. C’est pourquoi cet article, à partir de l’expérience réussie du service d’application chez le client et des équipements de test en usine, met en évidence l’importance d’une conception parallèle rigoureuse des modules IGBT.

Les modules généralement supérieurs à 100 A sont eux-mêmes constitués de plusieurs puces montées en parallèle, même si les fabricants peuvent utiliser des puces provenant de la même tranche pour les relier en parallèle afin de réduire l’écart de paramètres du module lui-même. Il faut néanmoins tenir compte des différences individuelles entre les paramètres des modules obtenus. En même temps, la symétrie du circuit est un facteur très important dans le fonctionnement en parallèle, ce qui peut être expliqué sous deux aspects, statique et dynamique, à partir des différences de paramètres et des différences de symétrie du circuit.

Facteurs influençant le partage de courant en parallèle et en régime statique des modules

Dans l’utilisation réelle, l’état de fonctionnement du module IGBT se situe principalement dans la conduction et lors des transitoires de commutation ; l’étape de conduction est relativement longue et le courant important. Cette phase a donc un impact majeur. Commençons par l’état de conduction statique.

1.1. Les principales raisons qui influencent le partage de courant moyen en parallèle du module sont les 4 points suivants

A) Influence de la chute de tension de saturation Vce(sat)

B) Influence de l’asymétrie d’impédance du circuit de puissance en parallèle

C) Influence de la tension de commande de grille Vge

D) Influence de la tension de seuil Vth

E) Influence de la chute de tension directe de la diode Vf

1) Problèmes liés à des Vce(sat) différents en parallèle :

Dans de nombreux cas, on pense que le Vce(sat) généré par le courant circulant dans l’IGBT est une valeur fixe, ce qui est une idée fausse. Le Vce(sat) désigne en réalité la chute de tension générée au courant nominal. Pour un IGBT, la chute de tension en conduction est une fonction du courant pour un même Vge.

Pour deux IGBT connectés en parallèle, la chute de tension générée par le passage en conduction positive à l’ouverture à l’état stable est identique. L’équilibre de la répartition du courant dépend donc des différences entre les caractéristiques de sortie des différents IGBT montés en parallèle.

La figure 1 montre la différence de répartition du courant entre deux IGBT en parallèle ayant des caractéristiques de sortie différentes (même Vce pour les deux IGBT en parallèle).

Figure 1 : situation de l’IGBT après le partage de courant en parallèle avec des caractéristiques de sortie différentes

Figure 2 : schéma de principe du partage de courant lors d’un montage en parallèle

Les V montrées dans la figure 1T1 et VT2 désignent, pour deux modèles IGBT identiques montés en parallèle, le fait que les caractéristiques de sortie des deux IGBT sont légèrement différentes. iC1 et iC2 sont respectivement, pour VT1 et VT2, les courants de collecteur dans les conditions d’une même chute de tension du tube (UCE1=UCE2), I désigne le courant nominal de ce type d’IGBT, et Vcesat1 et Vcesat2 représentent la chute de tension de saturation des deux IGBT au courant nominal. On peut approximer :

R1=（Vce sat 1-Vo1)/I        (1)

R2=（Vce sat 2-Vo2)/I        (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

Lors d’un montage en parallèle, UCE1=UCE2=Uce, Is

iC1=（ Uce-Vo1 ）/R1=（ Uce-Vo1 ）×I/（Vcesat1-Vo1)

iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2） ×I/（Vcesat2-Vo2)

Puisque ces deux IGBT sont du même type, Vo1 Vo2 = Vo, alors

Par conséquent, si le courant des deux modules IGBT montés en parallèle est I, le courant des deux modules IGBT ayant des Vce différents peut être calculé comme suit :

iC 1=（ Uce-V o1 ）/R 1=（ Uce-V o1 ）×I/（Vcesa t 1-V o1)=（Uce-V o ）×I/（Vcesa t 1-V o ) iC 2=（Uc e-V o2）/R 1=（Uc e-V o2）×I/（Vc e s a t 2-V o2)=（Uc e-V o ）×I/（Vc e s a t 2-V o )

Prenons comme exemple le très courant GD200HFL120C2S :

Supposons une valeur plus élevée de Vcesat1 à 2,5 V (125 °C) et une valeur plus faible de Vcesat2 à 2,1 V (125 °C),

Vo =0.8V

En supposant une valeur plus élevée de Vcesat1 de 2,2 V, avec la valeur plus faible de Vcesat1 de 2,1 V, à vérifier dans la fiche technique

La valeur typique de Vo est de 0,8 V

Si l’écart de Vcesat est de 0,1 V, même si le courant de sortie requis par le module en parallèle est io = 200 A, la différence de courant du module IGBT ayant un Vce(sat) plus faible est de 6 A. En pratique, il y aura davantage de pertes que dans l’autre module IGBT, bien que la puce IGBT soit soumise à un fort courant

Il présente un coefficient de température positif ; ainsi, lorsque deux modules IGBT sont montés en parallèle, il est recommandé que l’écart entre les Vce(sat) ne dépasse pas 0,2 V. Si cela est inévitable, il est conseillé de prévoir une marge importante sur la température en régime permanent pour compenser.

2) Répartition inégale du courant due à l’asymétrie de l’impédance du circuit de puissance

Fig. 2 Effet de l’impédance du circuit principal

On considère généralement que la différence de longueur des barres de bus en parallèle entraîne l’impédance du circuit. Par conséquent, si le module IGBT utilise un écart de Vce(sat) inférieur à 0,2 V, il faut tenir compte de la symétrie des barres de bus. En réalité, l’impact de cette partie est faible ; par exemple, dans le circuit équivalent de la figure 2, RE1 et RE2 sont équivalents à l’association en série de deux résistances et aux deux branches initiales à partage de courant uniforme. Si l’impédance n’est pas cohérente, le partage du courant ne le sera pas non plus ; par exemple, si RE1 > RE2, alors la branche correspondant à RE2 recevra inévitablement davantage de courant, ce qui provoquera un déséquilibre, et inversement. Prenons l’exemple du GD200HFL120C2S :

Le courant réel requis pour le module en parallèle est io = 200 A, chaque module supporte en réalité 100 A, et la chute de tension sur le module réel est Uce = 1,7 V

Supposons que la section du cuivre soit de 4×10^-5 m², que la longueur du jeu de barres principal du module 1 soit de 0,8 m, que la longueur du jeu de barres principal du module 2 soit de 0,6 m, et que la résistivité thermique à 30 °C soit de 1,8×10^-8 Ω·m

Par rapport à l’influence de Vce(sat), l’effet de l’asymétrie de la boucle de puissance est relativement négligeable en régime statique. En revanche, le bus introduit également l’inductance des conducteurs, ce qui aura un impact important sur le partage dynamique du courant, point qui sera approfondi plus tard.

3) Influence de la tension de commande de grille Vge

Le courant IC traversant le module IGBT commandé par la tension de grille Vge génère la chute de tension de conduction Vce, laquelle n’est pas seulement liée au courant Ic traversé et au Vce(sat) mentionné ci-dessus, mais aussi directement à la tension de commande de grille Vge.

À l’inverse, pour différentes tensions de commande Vge, à Vce identique en parallèle, le courant Ic qui traverse les deux est naturellement différent.

Figure 3. Courbe caractéristique de sortie du module IGBT

D’après la figure 3, on peut clairement voir que,

Par exemple, avec Vge = 13 V, à Vce = 2,5 V, le courant Ic est de 255 A

Par exemple, avec Vge = 15 V, à Vce = 2,5 V, le courant Ic est de 285 A

Par conséquent, la conception du circuit de commande doit faire l’objet d’une attention particulière, et il faut absolument garantir la tension de commande du module en parallèle.

Il convient de souligner ici que la tension de grille Vge évoquée ci-dessus désigne la tension aux bornes de la grille de l’IGBT, et non la tension de sortie de la carte de commande ; les clients négligents font souvent cette erreur. Comme on peut le voir sur la figure 4, il existe une résistance de grille entre la puce de commande et la grille de l’IGBT, ainsi qu’une connexion électrique entre la puce de commande et la grille de l’IGBT, c’est-à-dire le fil de grille de la machine que l’on voit généralement sur l’équipement ; la différence de paramètres entre le composant de commande et le fil de grille se manifestera au moment de l’ouverture et de la fermeture

Ce point sera marquant et entraînera une incohérence entre la tension de grille ajoutée à l’IGBT et la tension de sortie. Cela ne posera pas de problème en régime permanent, car la grille se trouve dans un état de forte résistance.

Figure 4 Schéma de principe du driver du module

4) Effet de la tension d’amorçage, Vth

Comme la tension appliquée à la grille par le circuit de commande passe d’une tension négative à une tension positive appliquée (s’il existe une tension de coupure négative), le courant I ne peut pas traverser le module avant que la tension de grille n’atteigne Vth ; l’IGBT ayant un Vge(th) plus faible s’ouvrira donc plus tôt et se fermera plus tard. Étant donné que cet effet intervient principalement au moment de l’ouverture, et que l’on peut le constater sur la courbe de transfert de la figure 4, le courant Ic est très faible lorsque la tension de commande est Vth. En général, l’écart de Vth entre modules du même type est inférieur à 0,5 V, de sorte que l’effet de la tension d’amorçage Vth est relativement faible.

5 Caractéristiques de transfert du module IGBT

5) Effet de la Vf de la diode

Dans les onduleurs et autres applications, la diode antiparallèle du module IGBT doit supporter un courant important. L’effet de la Vf de la diode sur le partage du courant est exactement le même que celui de Vce(sat) sur le partage du courant ; seule la partie IGBT est affectée par Vce(sat) et la Vf de la diode.

R1 = (Vf-Vo1)/I R2 = (Vf-Vo2)/I Uf1 = Vo1 + R1×if1 Uf2 = Vo2 + R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

Lorsque Uf1 = Uf2 = Uf sont raccordées en parallèle, alors

iC1 = (Uf-Vo1)/R1 = (Uf-Vo1)×I/(Vf1-Vo1)

iC2=（ Uf-Vo2）/R1=（ Uf-Vo2） ×I/（Vf2-Vo2)

Comme ces deux diodes sont du même type, Vo1 Vo2 =Vo

Par conséquent, si le courant de deux modules IGBT en parallèle est I, le courant de deux modules IGBT avec des Vce différents peut être calculé comme suit :

iC1=（ Uf-Vo1 ）/R1=（ Uf-Vo1 ）×I/（Vf1-Vo1)=（ Uf-Vo ） ×I/（Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) Un module courant de 150 A est un module à structure colonne,

En supposant que la valeur V f la plus élevée soit de 2,2 V et la plus faible de Vf soit de 2,1 V, la valeur typique de Vo indiquée dans la fiche technique est de 1,3 V

Facteurs influençant le partage dynamique du courant en parallèle

Les principales raisons qui influencent la répartition dynamique moyenne du courant entre modules sont les 3 points suivants

A) Paramètres dynamiques du IGBT lui-même

b) Inductance паразite du circuit d'attaque

c) Inductance parasite du circuit de puissance

1) Répartition inégale causée par les paramètres propres de l'IGBT

Le principal facteur influençant l'équilibrage du courant au moment de la commutation est la caractéristique de transfert du dispositif en parallèle.

Figure 3. Comparaison des caractéristiques de transfert des modules en parallèle

Schéma comparatif des propriétés de deux modules en parallèle présentant des caractéristiques de transfert incohérentes, comme indiqué à la figure 3. Dans la figure 3, lorsque la même tension d'attaque V est appliquée au module en parallèle, le module IGBT à pente raide supportera davantage de courant, et les pertes de commutation seront également plus élevées. 2) Parasites du circuit d'attaque et répartition inégale du courant due à l'inductance

Associée à la capacité parasite grille-émetteur de l'IGBT, l'inductance parasite du circuit d'attaque peut provoquer de fortes oscillations, entraînant des fluctuations de la tension de grille. L'inductance parasite de l'émetteur peut provoquer une variation de la vitesse de commutation.

Le circuit d'attaque de grille de l'IGBT, la résistance RG, l'inductance des fils LGLE, ainsi que la capacité d'entrée Cin de l'IGBT : le processus d'ouverture et de commutation correspond à la réponse typique d'un circuit série RLC. Dans la figure 4, la résistance R correspond à RG, l'inductance L à LG+LE, et le condensateur C à la capacité d'entrée Cin.