MOSFET et IGBT : l’avenir de la commande d’entraînement moteur
Les dispositifs électromécaniques, comme les commutateurs, les solénoïdes, les encodeurs, les générateurs et les moteurs électriques, constituent la passerelle fondamentale entre le monde numérique et le monde physique. Toute l’ingéniosité de tous ces dispositifs réside dans leur capacité à convertir des signaux électriques en actions mécaniques.
À mesure que des secteurs tels que la fabrication automatisée, les véhicules électroniques, les systèmes de construction avancés et les appareils intelligents progressent, les exigences en matière d’amélioration du contrôle, d’efficacité et de capacités de ces dispositifs électromécaniques sont également accrues. Cet article explore la manière dont les percées dans le domaine des MOSFET en carbure de silicium (MOSFET SiC) redéfinissent les capacités des moteurs électriques qui utilisent historiquement des IGBT en silicium (IGBT Si) pour l’inversion de puissance. Cette innovation élargit les capacités des applications d’entraînement moteur dans quasiment tous les secteurs d’activité.
Que sont les IGBT Si et les MOSFET SiC ?
IGBT Si est l’abréviation de transistors bipolaires à grille isolée en silicium. MOSFET SiC est l’abréviation de transistors métal-oxyde semi-conducteur à effet de champ (MOSFET) au carbure de silicium (SiC).
Les IGBT Si sont des dispositifs contrôlés par le courant qui sont basculés par un courant appliqué à la borne de la grille du transistor, tandis que les MOSFET sont contrôlés par une tension appliquée à la borne de la grille.
La principale différence entre les IGBT Si et les MOSFET SiC est le type de courant qu’ils peuvent supporter. D’une manière générale, les MOSFET conviennent aux applications de commutation à haute fréquence, tandis que les IGBT sont mieux adaptés aux applications à haute puissance.
Pourquoi les IGBT au silicium et les MOSFET au carbure de silicium sont essentiels dans les applications d’entraînement moteur ?
Les moteurs électriques sont omniprésents dans les technologies modernes et sont souvent alimentés par des systèmes de batteries. Par exemple, les véhicules électriques utilisent de gigantesques systèmes de batteries qui fournissent du courant continu au véhicule, créant ainsi un mouvement physique par le biais de moteurs électriques à courant alternatif. Le contrôle absolu de ces moteurs à courant alternatif est essentiel pour la performance et l’efficacité du véhicule, ainsi que pour la sécurité des personnes à l’intérieur. Cependant, ce système de transmission repose sur des onduleurs qui convertissent le courant continu de la batterie en un signal alternatif que les moteurs peuvent utiliser pour créer un mouvement.
Ces onduleurs contrôlent avec précision la vitesse, le couple, la puissance et le rendement du moteur et permettent le freinage par récupération. En fin de compte, l’onduleur est aussi précieux pour la chaîne cinématique que le moteur. Comme c’est le cas pour tous les dispositifs utilisés dans les applications de production d’énergie, les onduleurs peuvent varier considérablement en termes de capacités et d’exigences de conception. Ils sont essentiels à la performance globale du système d’alimentation en courant continu d’un moteur à courant alternatif.
Deux types d’onduleurs sont utilisés dans les applications modernes d’entraînement de moteur CC vers CA : les IGBT au silicium et les MOSFET au carbure de silicium. Historiquement, les IGBT Si sont les plus courants, mais les MOSFET SiC ont gagné en popularité grâce à leurs divers avantages en termes de performances et à la baisse constante de leurs coûts. Lorsque les MOSFET SiC sont apparus sur le marché, leur coût était largement prohibitif pour la plupart des applications d’entraînement moteur. Cependant, avec l’adoption croissante de cette technologie supérieure, la fabrication à grande échelle a permis de réduire considérablement le coût des MOSFET SiC.
Avantages et inconvénients des IGBT Si par rapport aux MOSFET SiC
Les IGBT au silicium sont traditionnellement utilisés dans les applications d’entraînement moteurs à courant continu et à courant alternatif en raison de leur capacité de traitement du courant élevé, de leur commutation de vitesse rapide et de leur faible coût. Plus important encore, les IGBT Si ont une tension nominale élevée avec une faible chute de tension, des pertes de conductance et une impédance thermique faible, ce qui en fait un choix évident pour les applications d’entraînement de moteurs à haute puissance telles que les systèmes de fabrication. Toutefois, l’un des inconvénients majeurs des IGBT au silicium est qu’ils sont très sensibles à l’emballement thermique. L’emballement thermique se produit lorsque la température de l’appareil augmente de manière incontrôlée, ce qui entraîne un dysfonctionnement de l’appareil et finalement une panne. Dans les applications d’entraînement moteur où le courant, la tension et les conditions de fonctionnement sont élevés, comme dans les véhicules électriques ou la fabrication, l’emballement thermique peut constituer un risque important pour la conception.
Pour résoudre ce problème de conception, les MOSFET SiC sont plus résistants à l’emballement thermique. Le carbure de silicium est plus thermoconducteur, ce qui permet une meilleure dissipation de la chaleur au niveau de l’appareil et des températures de fonctionnement stables. Les MOSFET SiC sont mieux adaptés aux conditions ambiantes plus chaudes telles que les applications automobiles et industrielles. En outre, compte tenu de leur conductivité thermique, les MOSFET SiC peuvent éliminer le besoin de systèmes de refroidissement supplémentaires, ce qui permet de réduire la taille globale du système et d’en diminuer le coût.
Les MOSFET SiC fonctionnant à des fréquences de commutation beaucoup plus élevées que les IGBT Si, ils sont donc idéaux pour les applications où une commande précise du moteur est essentielle. Les fréquences de commutation élevées sont primordiales dans la fabrication automatisée, où des servomoteurs de haute précision sont utilisés pour le contrôle du bras de l’outil, le soudage de précision et le placement précis d’objets.
En outre, un avantage notable des systèmes d’entraînement moteur MOSFET SiC par rapport aux systèmes IGBT Si est leur capacité à être intégrés dans des ensembles de moteurs, avec un contrôleur de moteur et un onduleur intégrés dans le même boîtier que le moteur.
En déplaçant l’unité de pilote de moteur à l’emplacement local du moteur, le câblage entre les variateurs de vitesse et le pilote de moteur peut être considérablement réduit, ce qui permet de réaliser des économies significatives. Dans l’exemple de l’image B, une armoire électrique IGBT Si traditionnelle peut nécessiter 21 câbles uniques pour alimenter les sept moteurs (marqués « M ») du bras robotique, ce qui peut représenter des centaines de mètres d’infrastructure de câblage coûteuse et complexe. Avec un système d’entraînement moteur MOSFET SiC, le nombre de câbles peut être réduit à deux longs câbles qui se connectent à chacun des entraînements moteur à l’intérieur de l’unité de moteur locale.
Image 2 : Comparaison entre un IGBT au silicium et un MOSFET au carbure de silicium pour la commande d’un bras robotisé.
Inconvénients des MOSFET SiC par rapport aux IGBT Si
Les MOSFET SiC présentent toutefois des inconvénients par rapport aux IGBT Si. Tout d’abord, les MOSFET SiC restent plus onéreux que les IGBT Si, ce qui les rend potentiellement moins adaptés aux applications sensibles aux coûts. Bien que les MOSFET SiC soient eux-mêmes plus chers, certaines applications peuvent bénéficier d’une réduction du prix de l’ensemble du système de pilote du moteur (par la réduction du câblage, des composants passifs, de la gestion thermique, etc.) et peuvent s’avérer globalement moins chères qu’un système IGBT Si. Cette réduction des coûts peut nécessiter une analyse approfondie de la conception et de l’étude des coûts entre les deux systèmes d’application, mais elle pourrait conduire à une efficacité accrue et à une réduction des coûts.
Un autre inconvénient des MOSFET SiC est qu’ils peuvent présenter des exigences plus complexes en matière de commande de grille, ce qui peut les rendre moins adaptés que les IGBT dans les applications où d’autres composants du système peuvent limiter les ressources de commande de grille.
Technologie d’onduleur améliorée avec des MOSFET en carbure de silicium
Les MOSFET en carbure de silicium ont considérablement amélioré la technologie des onduleurs pour les systèmes d’entraînement des moteurs. Comme c’est le cas pour tous les types de composants, il existe des applications particulières pour lesquelles les IGBT peuvent encore être mieux adaptés. Cependant, les onduleurs à MOSFET SiC offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux IGBT Si, ce qui en fait des solutions très attrayantes pour les applications d’entraînement moteurs et un large éventail d’autres applications.
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