Depuis sa création en 1947, le transistor en silicium est devenu un élément essentiel de l’électronique moderne. Les composants à base de transistors fournissent une puissance et un contrôle des signaux inégalés à quasiment toutes les industries, applications et circuits basse tension. À mesure que les capacités des transistors augmentent, l’optimisation des circuits est essentielle pour protéger le matériel en aval.
Condensateurs d’amortissement pour IGBT
Dans certaines industries où des transistors à haute tension sont utilisés, des précautions spécifiques doivent être prises pour s’assurer que les circuits périphériques connexes sont efficaces et protégés contre les effets nocifs communément observés lors d’opérations à haute tension et à haute fréquence. Voyons comment utiliser un condensateur d’amortissement pour réduire l’inductance parasite du câblage électrique, qui est le résultat d’effets de système à haute fréquence que l’on trouve couramment dans les circuits IGBT haute tension.
Qu’est-ce qu’un IGBT ?
Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) sont principalement utilisés dans les applications de commutation de moyenne à haute puissance et de haute fréquence en raison de leur vitesse compétitive et du contrôle de tensions de source plus élevées avec des tensions de signal nettement plus faibles. Contrairement aux autres transistors de puissance qui dépendent du courant circulant dans leur base, le courant circule vers un IGBT par sa grille pour agir comme le signal du transistor. Cette configuration permet d’obtenir des caractéristiques telles qu’une faible chute de tension à l’état passant et une faible densité de courant à l’état passant, ce qui est avantageux pour les systèmes de commande à haute puissance. Les IGBT sont remarquables pour leur utilisation dans des applications où des tensions élevées et des commutations de vitesse élevées sont critiques, comme par exemple :
- • Véhicules électriques
- • Systèmes de climatisation
- • Variateurs de fréquence
- • Équipement industriel
Avec leurs capacités de haute puissance et de haute fréquence, les IGBT sont étonnamment enclins aux surtensions à la mise hors tension, qui sont souvent causées par l’inductance parasite du câblage du circuit périphérique.
Inductance parasite du condensateur : module IGBT haute puissance
La plupart des applications de circuits haute puissance impliquent un grand volume de câblage utilisé pour distribuer la puissance dans un système. Ce câblage a une valeur d’inductance propre, appelée inductance parasite. Cela est non seulement vrai pour les grands systèmes de câblage, mais également pour tous les composants, y compris la plus petite résistance.
Cependant, l’impact de cette inductance sur le système est aggravé dans les systèmes de haute puissance qui contiennent de grandes quantités de masse et de câblage. Si vous imaginez la quantité de câblage nécessaire dans le groupe motopropulseur d’un VE, des kilomètres de fils de commande et de grandes masses de câblage à haute tension et à courant élevé sont nécessaires pour distribuer l’énergie autour du système de batterie vers le système de commande et finalement le groupe motopropulseur. Lorsqu’il est combiné, le grand volume de câblage est susceptible de créer de grandes valeurs d’inductance parasite. Si le système ne peut pas atténuer efficacement les effets négatifs de cette inductance, il peut endommager d’autres composants du circuit, comme un IGBT à l’arrêt.
Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) sont particulièrement exposés à ce problème, car ils commutent à des fréquences très élevées, ce qui entraîne un grand nombre d’états actifs et inactifs pendant la durée de vie du composant. Par exemple, si le dispositif (A) commute à une fréquence de 10 Hz pendant 1 an et que le dispositif (B) commute à une fréquence de 100 Hz pendant 1 an, le dispositif (B) aura été à la fois dans un état actif et un état inactif 10 fois plus souvent que le dispositif (A). Dans le cas des IGBT, leur haute fréquence les expose à un nombre beaucoup plus élevé d’états de marche et d’états d’arrêt que les transistors standard, ce qui les rend susceptibles de se dégrader et de tomber en panne à cause des surtensions causées par l’inductance parasite pendant la durée de vie de la pièce.
Qu’est-ce qu’un condensateur d’amortissement ?
Un condensateur d’amortissement soigneusement placé atténue l’impact de l’inductance parasite dans les systèmes IGBT et élimine certains des risques associés à l’utilisation de matériaux sujets à l’inductance dans les systèmes de haute puissance. Une conception qui utilise un condensateur d’amortissement correctement dimensionné, ou même un réseau de condensateurs d’amortissement, peut réduire considérablement l’ampleur d’une surtension d’inductance parasite et réduire l’oscillation harmonique « à long terme » du système IGBT. L’utilisation d’un condensateur de plus grande valeur comme condensateur d’amortissement permettra de mieux réduire la valeur globale de la surtension, mais peut entraîner une sonnerie indésirable étant donné l’harmonique du système. Quoi qu’il en soit, l’utilisation d’un condensateur d’amortissement peut réduire de manière significative le risque d’endommager la grille de votre IGBT lors d’une surtension causée par une inductance parasite hors état.
Types de condensateurs d’amortissement
Un condensateur d’amortissement est conçu pour augmenter les performances du circuit, mais il augmente également la capacité de l’IGBT à exploiter plus efficacement les capacités de commutation à haute vitesse, ce qui permet potentiellement de contrôler même les hautes fréquences. Un condensateur performant est idéal pour être utilisé dans un circuit haute performance et haute puissance, car il doit être capable de faire face également à ses effets de système difficiles. Lorsque Tech Web a analysé le placement des condensateurs d’amortissement, il s’est concentré sur la façon dont les différentes configurations et types de condensateurs se comportaient, en testant spécifiquement différentes configurations en série et en parallèle des conceptions de condensateurs d’amortissement. En comparant deux grands condensateurs à film Nippon Chemi-Con à un réseau de cinq ensembles parallèles de deux condensateurs Murata en céramique, les condensateurs en céramique ont eu un effet de suppression des surtensions presque deux fois plus efficace que les grands condensateurs à film.
Sélection et placement du condensateur d’amortissement de l’IGBT
Lorsque vous concevez un condensateur d’amortissement dans votre circuit IGBT, son emplacement par rapport à l’IGBT est essentiel. Étant donné qu’un condensateur d’amortissement cherche à minimiser l’inductance parasite de l’ensemble du système, il est également très important de minimiser la quantité de « système » entre le condensateur d’amortissement et le IGBT. Si votre condensateur d’amortissement est éloigné de votre IGBT, le matériau entre les deux assemblages de composants peut former une inductance parasite indésirable et une surtension harmonique encore plus importante, ce qui réduit finalement l’effet de suppression de la surtension de l’amortisseur et risque d’endommager l’IGBT. Plus le condensateur d’amortissement et l’IGBT sont proches, moins le sursaut provoqué par l’inductance parasite sera perçu par l’IGBT.
Conception du condensateur d’amortissement de l’IGBT
Testez la conception de votre condensateur d’amortissement pour éviter d’endommager l’ensemble du circuit. L’analyse de Tech Web a démontré que différents composants et configurations de condensateurs d’amortissement peuvent influencer considérablement l’impact de la surtension pendant un événement de commutation. Si certains paramètres tels que la taille et la qualité des condensateurs peuvent être contrôlés, les effets éventuels de votre circuit sur le système peuvent être moins contrôlables. Des tests approfondis sont souhaitables pour choisir la meilleure conception de condensateur d’amortissement. En fin de compte, choisissez soigneusement vos condensateurs en fonction des performances que vous souhaitez obtenir avec votre circuit et de la tolérance de votre IGBT aux surtensions.
