Mode d'emploi
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1. 16 Montage didactique SEMIKRON 2 A ONDULEUR TRIPHAS MODULATION EN LARGEUR D IMPULSIONS 16 1 PERTESEN CONDUCTION Sd nid ii 16 2 PERTES AUX COMMUTATIONS 17 3 a 17 B HACHEUR DEVOLTEUR 2 Se a nd eee 18 C HACHEUR SURVOLTEURS nca dde Rd dns dan lan cie 18 D HACHEUR RESONNANT 2220 te eee rat dense bacs en 18 x gt U U O TI O 2 z m ep Z lt m o gt Montage didactique SEMIKRON 3 Vous venez d acqu rir un montage didactique de SEMIKRON pour l enseignement de l lectronique de puissance permettez nous de vous en f liciter Le montage a t con u avec l obsession de la s curit et de l efficacit p dagogique aussi nous esp rons que vous en aurez pleine satisfaction Nous avons inclus l envoi un catalogue SEMIKRON contenant la liste et le descriptif de tous les produits SEMIKRON ainsi que des explications d taill es du fonctionnement de chacun et des conseils de mise en oeuvre Le pr sent manuel est une pr sentation du montage un guide d installation et introduit galement quelques exemples d applications typiques parmi les plus r pandues dans le monde industriel Avant toute manipulation nous vous invitons vous2. tre n gatif c est dire que le signal d erreur doit tre 15 V pour dire que tout est normal Si ce n est pas le cas il y a un d faut se peut que la tension d alimentation soit inf rieure 15V ou qu il y ait mission d ordres de commande avant l initialisation des drivers Vous pouvez tester le fonctionnement de l indicateur d erreur abaissant cette tension d alimentation En de de 13V il y a mission d un message d erreur Ensuite 1 faut alimenter le montage de puissance Si cela vous est possible le mieux est d augmenter progressivement la tension au moyen d un autotransformateur Sinon il est imp ratif de disposer entre redresseur et pont capacitif de l onduleur un l ment passif de pr charge pour supporter le saut de tension Celui ci peut tre une r sistance ventuellement shunt e apr s quelques secondes ou bien une inductance Les diff rents composants de votre montage A Le ventilateur et le dissipateur ou radiateur Le ventilateur est de type axial aspirant est d fini par la courbe donn e dans le catalogue p B14 102 peut tre aliment 50 ou 60 Hz mais ses performances en sont modifi es Le dissipateur est un P3 300 c est dire de profil P3 et de longueur 300 mm On peut d terminer le point de fonctionnement du ventilateur en rapprochant sa courbe chute de pression en fonction du d bit de celle du radiateur Fig 8 p B13 15 L intersection donne le d bit
3. a 6 LES MODULES DE PUISSANCE SKM 50 GB 123 D 7 D LES CONDENSATEURS DE FILTRAGE ssmssenseessencenecnecncrencnc ne ceememamennamemeseeeeececacececee 7 E LES CONDENSATEURS DE D COUPLAGE 8 L BUS BARRES A D enr te ioce sea Lines dance nt te 8 G LE THERMOCONTACT 8 H LE THERMOMETRE cases tnt 8 VIII D O VIENNENT LES PERTES osssssssssnseseseosnusnuesnnnuosssosonuneosorseseusssnonosnnnossoorsorsusonsosuann 11 LES PERTES EN CONDUCTION ssessseneseosssesseosesssoseosesssososeuseossossosnnneosuoosoossuonoueosssonansnnoe 12 LES PERTES AUX COMMUTATIONS sssesasonusesonuuseuusueonssoseenoseosorseorseosueseensovonononoeoossrurennnenane 13 LES 14 LES NIVEAUX THERMIQUES ee at a nd aan cati sion cree 14 MOD LISATION EQUIVALENCE THERMIQUE 15 EXEMPLES D APPLICATIONS
4. bus barre est un principe de c blage du filtre capacitif qui impose aux bornes des composants une tr s faible inductance parasite Constitu de 2 plaques d aluminium s par es par un film isotant extr mement fin l inductance parasite ainsi r alis e est tr s faible par rapport une liaison par c bles Les surtensions aux commutations n en seront que plus faibles et par suite les pertes aussi G Le thermocontact ouverture sch matise comme un interrupteur ferm lorsque la temp rature est inf rieure la temp rature seuil de d clenchement 71 C 1 est recommand de le brancher en s rie avec l alimentation des drivers de mani re stopper la manipulation en cas de surchauffe anormale sert g n ralement d tecter de mani re indirecte les pannes de ventilateur Apr s refroidissement le thermocontact se refermera peu pr s 20 C en dessous de cette temp rature seuil H Le thermom tre Il s agit d un circuit int gr le LM 3352 plac dans le radiateur au plus pr s des composants donc au point le plus chaud du radiateur Cette temp rature est celle que l on appelle Th et vous permet de v rifier vos calculs de pertes ou m me d estimer les pertes indirectement L l vation de la tension de sortie est proportionnelle l l vation de la temp rature en degr s Celsius raison de 10mV par degr Celsius d l vation 25 C lt 250mV La connaissance de la temp rature au
5. courant i C dV dt le dt n tant d qu l inductance interne de c blage et il y a risque de disjonction c t r seau voire d explosion des condensateurs si le filtre LC ainsi cr a un d passement Les bornes et du pont capacitif de filtrage sont rep r es respectivement par les connecteurs rouge et bleu Les trois points milieu des 3 bras de pont ainsi que le point de connexion de la r sistance de freinage sont des connecteurs noirs Pour l alimentation des drivers le connecteur rouge doit tre reli au 15 et le bleu au OV Deux connecteurs noirs pour une alimentation monophas e 230 V sont pr vus pour le ventilateur Un connecteur noir a t plac pour la lecture positive de la temp rature la r f rence tant prendre sur le 0 V de l alimentation des drivers Deux autres enfin ont t plac s aux bornes du thermocontact Montage didactique SEMIKRON 5 IV G Les connecteurs de commande Pour la partie commande les signaux d ordre doivent tre en logique C MOS 0 15V Un signal OV correspond un interrupteur ouvert 15V un interrupteur ferm Ces signaux sont ramener sur le montage par des connexions BNC Tous les blindages des connecteurs BNC sont connect s au OV lectrique provenant de l alimentation des drivers D L int gration de votre montage dans l application En premier lieu alimenter les drivers en OV et 15V Le retour d erreur doit
6. gale 1 35 380 510 p 98 data book SEMIKRON D apr s les formules donn es ci dessus les pertes sont donn es en fonction d un courant commut On peut estimer que les pertes moyennes sont gales aux pertes dues la commutation d un courant moyen soit sur une arche de sinuso de l P IGBT E Us sw SA on off 40 A 600V 40 600 20 5 510 10000 4 5 107 7 510 16 6 40 600 Et pour la diode la fig 18 nous donne l nergie dissip e selon le courant commut Pour les faibles courants les courbes ne se prolongent malheureusement pas On peut consid rer au premier ordre que les pertes sont proportionnelles au courant et les surestimer en prenant celles 24 Q au lieu de l 30 A 40 A l nergie dissip e est de 2 mJ donc 6 5 elles seront peu pr s de 0 33 mJ 10000 0 33 107 3 3 Les pertes totales diode et IGBT sont donc P IGBT 28W P Diode 5 3W 3 Echauffements Les pertes calcul es il reste d terminer les temp ratures de jonction et v rifier qu elles sont inf rieures 125 C Comme on l a vu l l vation de temp rature jonction bo tier est donn e par Montage didactique SEMIKRON 17 IX AT P D o une l vation 11 entre jonction et radiateur et de 4 C pour la diode De m me entre bo tier et radiateur en consid rant que chaque bo
7. tier comprend 2 IGBT et 2 diodes l l vation est de 2x 28 5 3 x0 05 3 3 C Enfin en se rappelant que 3 modules dissipent la m me quantit de chaleur l l vation de temp rature radiateur ambiant est de voir fig 10c p B13 16 P 0 085X 3x2x 28 5 3 17 D o une temp rature de radiateur de 17 degr s au dessus de la temp rature ambiante soit 42 C si on a 25 C d ambiante un bo tier 45 C une diode 50 C et un IGBT 56 C On a une tr s bonne marge de s curit B Hacheur d volteur C Hacheur survolteur D Hacheur r sonnant La r sonance est un mode de fonctionnement int ressant car elle permet d atteindre des fr quences de commutation beaucoup plus lev es qu en d coupage En effet les commutations se font g n ralement courant nul ce qui limite une valeur tr s basse les pertes aux commutations Cependant ce mode est bien s r r serv pour des charges de type LC ou RLC La limitation peut venir du driver pour lequel la fr quence maximale de charge et d charge du condensateur d entr e des IGBT est donn e par la puissance moyenne maximale de sortie du driver Le SKHI 22 autorise un courant de sortie moyen maximal de 20 mA La fr quence maximale est donc donn e par f 76 OutAvMax 2 Q e d charge 15V O la division par 2 se justifie par le fait que la charge se fait 15V et la Approfondir les investigations Avant toute interven
8. SEMIKRON 222 Note d application Montage didactique IGBT pour l enseignement de l lectronique de puissance Mise en route Principe de dimensionnement des montages de puissance Montage didactique SEMIKRON 1 l PR SENTATION DU 4 I RECOMMANDATIONS IMPORTANTES 1 4 LES CONNECTEURS este 5 REMARQUE PR LIMINAIRE 5 LES CONNECTEURS DE 5 LES CONNECTEURS DE COMMANDE 6 D L INT GRATION DE VOTRE MONTAGE DANS L 6 IV LES DIFF RENTS COMPOSANTS DE VOTRE 6 A LE VENTILATEUR LE DISSIPATEUR OU 6 B LES
9. Vce lc Ces courbes sont le faisceau de courbes obtenues en fonction de la tension de commande de grille Dans notre cas la tension vaut 15 V La courbe correspondante peut s approcher par 2 morceaux de droites l une passant par l origine pour les tr s faibles courants et l autre d quation Vee T le Autrement dit on retrouve l approximation du dip le compos d une source de tension et d une r sistance en s rie L expression de la puissance devient alors p fy cro 0 1 i t dt r idt Hra fo l oa Voro et se d terminent graphiquement partir des courbes les courants se calculent souvent simplement Montage didactique SEMIKRON 12 C Les pertes aux commutations 90 10 9 100 90 le 10 Vex 90 10 fig 7 Les commutations Lors des commutations il appara t des pertes d autant plus importantes que la fr quence de commutation fest plus grande Les courbes obtenues figure 7 sont l illustration de l tablissement et la coupure d un courant dans le semi conducteur On voit qu entre ta et tb puis entre t1 et t3 le composant voit une tension ses bornes alors qu un courant le parcourt encore Qui olus est la valeur maximale de cette tension est gale la tension d alimentation soit typiquement 540 V ou 600V Des mesures ont t effectu es dans les laboratoires de SEMIKRON afin d valuer ces per
10. a i MODO CR OS 0 He PEETI RS ee mm ve mn 4 LOT D 4 ES DE SDS DR OO te LL ELA END 105 HE 10 104 10 10 t le 10 fig 10 Imp dance thermique de l IGBT Le composant peut tre mod lis par une succession de 3 r sistances thermiques comme indiqu figure 9 Rthjc r sistance thermique jonction bo tier junction case en anglais Rthch entre bo tier et radiateur case heatsink et Rthha entre radiateur et ambiant Cependant cette mod lisation n est qu une approximation En effet si l on regarde la figure 10 s aper oit que thermique jonction bo tier est d pendante du temps En r alit cette imp dance thermique transitoire est peu pr s assimilable un r seau compos de 4 RC du type de celui de la figure 11 R1 R2 R3 R4 T le E n C1 C2 C3 La T2 fig 11 Equivalent lectrique du mod le physique de l imp dance thermique Avec les valeurs donn es dans le Data book 18 il est possible de calculer en r solvant assez finement des temp ratures pour des transitoires tr s courts Naturellement pour des r gimes stationnaires et au niveau de la p
11. a RE Rthha Air ambiant fig 9 les diff rentes couches thermiques du Silicium l air ambiant La puce conductrice de Silicium est bras e soud e sur un substrat de cuivre lui m me coll sur une semelle isolante de c ramique elle m me pos e sur une semelle de cuivre Ces mat riaux ont une certaine r sistance thermique et les interfaces entre ces mat riaux rajoutent encore une r sistance thermique Afin de r duire celle ci et donc d accro tre le transfert de chaleur de la puce vers le dissipateur puis vers l air ambiant on dispose de plusieurs l ments Montage didactique SEMIKRON 14 D un point de vue thermique la semelle doit tre la plus fine possible les nouveaux SKiiPs MiniSKiiPs de SEMIKRON ont r solu ce probl me en supprimant la semelle de cuivre et en disposant directement la c ramique sur le dissipateur Une graisse thermique am liore l change entre le module et le dissipateur en comblant les irr gularit s de surface des deux Le radiateur doit tre dimensionn au mieux une grande surface de contact avec l air ambiant augmentera le coefficient d change thermique avec l air une plus grande masse de mati re permet d avoir une grande capacit de stockage de chaleur et par cons quent un plus grand gradient de temp rature B Mod lisation Equivalence thermique lectrique 10 de 0500218 2 n sh SH MER HE suc Biy
12. ar exemple cette tension puisse remonter 2 Lors de la mise sous tension disposer un syst me de pr charge des condensateurs 3 Ne pas d placer l appareil alors qu il est branch de quelque mani re que ce soit 4 pas brancher ou d brancher un fil alors que l appareil est sous tension ou que les condensateurs sont encore charg s 5 Le signal d erreur signe d un dysfonctionnement d un des l ments ne doit pas se d clencher intempestivement et doit obligatoirement tre repris sur la commande Montage didactique SEMIKRON 4 6 Lors de la connexion des signaux de commande il est pr f rable d utiliser des protections antistatiques bracelets reli s la terre par exemple pour ne pas risquer d endommager les drivers par une d charge lectrostatique 7 Ne pas d passer les courants maximaux autoris s 30 A 8 Limiter les courants dans le cas o le ventilateur ne serait pas utilis 9 Disposer un disjoncteur en amont du montage 10 En cas de doute n h sitez pas demander conseil SEMIKRON 11 Un thermocontact ouverture a t dispos afin de pouvoir d brancher le montage en cas de surchauffe anormale est souhaitable qu il soit branch en s rie avec l alimentation des drivers Les connecteurs A Remarque pr liminaire Vous constaterez que le montage ne propose pas d acc der aux tensions grille metteur L observation de celles ci e t t certes int ressante mais en raison du da
13. d air dans les ailettes La Fig 7 p B13 15 permet de d duire la r sistance thermique en fonction du nombre de modules chauffants un plus grand nombre d l ments chauffants augmente la surface de conduction de la chaleur et donc facilite la dissipation mais il faut tenir compte des couplages thermiques entre composants B Les drivers Les drivers sont du type SKHI 22 et commandent chacun un bras de pont les 2 IGBT d un module Il est possible toutefois de commander avec un seul driver plusieurs bras de pont en parall le pour augmenter le courant commut mais ce n est pas le cas dans cette application Les 22 sont d crits en d tail dans le catalogue p B14 21 Nous vous invitons vous y reporter 15 doivent tre aliment s 0V 15V et l alimentation doit tre capable de d livrer un courant sup rieur celui que consomment les drivers 160 mA driver en max Le signal d erreur est en logique n gative c est dire qu il d livre un signal de 15V s il n y a pas d erreur logique s curitaire Vous devrez donc int grer votre commande ce retour d erreur En cas d erreur le driver se bloque et les impulsions d entr e sont alors inefficaces La remise z ro de la m moire d erreur se fait en for ant les 2 entr es haut et bas z ro et en supprimant la cause de l erreur Cependant les autres drivers sont ind pendants de celui ci vous devrez donc Montage didactique SEMIKRON 6 prendre les p
14. e au del de laquelle on s expose des d fauts dans les soudures d o des risques de casses et de destruction du composant Cette temp rature maximale est classiquement 150 C Compte tenu des risques de d s quilibre entre les diff rentes puces en parall le l une peut conduire davantage de courant que l autre et chauffer davantage et de la dispersion des valeurs donn es par les catalogues de constructeurs il y a lieu de respecter une marge de s curit Pour les IGBT on peut raisonnablement se fixer 125 C comme temp rature de jonction maximale Cet chauffement est d aux imperfections du semi conducteur qui comme son nom l indique n est jamais parfait En effet l tat passant l interrupteur voit une diff rence de potentiel ses bornes s installer alors m me qu un courant le traverse Cela induit des pertes en conduction existe aussi des pertes en commutation que nous expliquerons plus loin Montage didactique SEMIKRON 11 Quelles que soient ces pertes la puissance dissiper s exprime toujours par T 1 T7 Voe t i t dt o T la p riode du signal Les pertes en conduction Comme nous l avons d j voqu les pertes en conduction sont gales au produit du courant par la tension aux bornes du composant comme pour tout r cepteur lectrique pendant la phase de conduction Les caract ristiques des composants sont de la forme de la figure 6 fig 6 Caract ristiques
15. eurs lectrolytiques de valeur 2200 uF 400 V Les 2 sont branch s en s rie soit une capacit quivalente de 1100 uF 800 V Leur valeur est d terminer en fonction de la qualit de filtrage d sir e capacit et du courant efficace admissible dans les condensateurs Le courant dans les condensateurs d pend de l application mais la valeur admissible de 19 1 A 40 C ou 8 2 A 85 C d ambiante L exp rience montre que la plupart des applications du montage didactique permettent de rester dans ces limites Pourquoi limite t on ce courant La temp rature du c ur doit tre maintenue la plus basse Tmax Ths possible pour augmenter la dur e de vie qui est du type 2 Tmax est une valeur maximale de temp rature admissible Ths est la temp rature maximale atteinte effectivement par le condensateur spot temperature Le mod le simplifi quivalent du condensateur tant une capacit en s rie avec une r sistance not e Rs ou ESR la puissance dissip e est celle dissip e dans cette r sistance s rie Il existe diff rentes technologies de condensateurs mais l heure actuelle les condensateurs lectrochimiques paraissent tre les plus adapt s aux montages d lectronique de puissance dans les gammes de puissance et de tension de l IGBT du fait de leur valeur capacitive et de leur tension lev es Certains fabricants proposent d augmenter le courant admissible par condensateur dissipant la cha
16. la puissance dissiper est norme 100 A x 1200 V 120 KW et il y claquage thermique Le driver de protection rapproch e doit ouvrir l IGBT en cas de court circuit dans le cas d un onduleur de tension C L IGBT en commutation En puissance l IGBT trouve son utilisation en commutation et non en amplification Montage didactique SEMIKRON 9 fig 3 L IGBT mise en conduction La figure montre comment s effectue la charge d un IGBT La premi re phase jusqu 10 V est une charge lin aire correspondant une charge de RC On est encore dans la zone lin aire de la charge de Puis appara t ce que l on appelle l effet MILLER o la charge se fait tension quasi constante comme si l on avait une capacit infinie charger Enfin une derni re charge am ne la tension grille metteur la tension voulue de 15 V IGBT est satur priori il para t difficile de comparer cette charge la charge d un RC Toutefois pour des calculs de dimensionnement il est souvent inutile de rentrer dans le d tail et on peut comparer cette charge celle d un RC quivalent ce que justifie l allure de la courbe Vcet t ts T 44 fig 4 tension grille metteur la charge et la d charge Montage didactique SEMIKRON 10 VI D L IGBT en court circuit T lt 150 15 t lt 10 lt 25 40 Note short cireult lt 1 000 Time between sho
17. leur par le fond fix sur un radiateur ou bien en faisant circuler un flux d air autour des condensateurs On ajoute en parall le aux condensateurs de filtrage des r sistances d quilibrage dont le but est d assurer une bonne r partition des tensions lors de la mise en s rie de condensateurs En effet limp dance interne des condensateurs est d finie avec une marge d erreur parfois importante 30 celle des r sistances est en revanche bien d finie Si l on choisit des r sistances de valeur tr s inf rieure la r sistance de fuite des condensateurs elles vont imposer la r partition de tension dans le pont diviseur ainsi form On vite ainsi qu un condensateur voit une tension dangereuse ses bornes en cas de mauvais quilibrage Ces r sistances permettent galement de d charger les condensateurs lorsque aucune nergie n est consomm e et que l application a t stopp e Toutefois nous conseillons de mettre un dispositif de d charge annexe car la d charge prend alors beaucoup de temps la constante de temps RC vaut 22 kOhms 1100 UF 24 2 secondes Montage didactique SEMIKRON Les condensateurs d couplage Plac s au plus pr s du composant ils permettent de compenser l inductance parasite de c blage et d absorber le courant harmonique 15 limitent ainsi les surtensions aux commutations et donc les pertes 115 sont galement une protection lors des courts circuits Le bus barre Le
18. nger qu elle pr sente nous n avons pas d sir la rendre accessible En effet l tudiant voulant mesurer la fois l ordre donn au driver et la r sultante de commande au niveau de la grille de l IGBT aurait supprim l isolement galvanique du driver et aurait donc ramen au niveau de la commande des niveaux de tension dangereux Aussi si une des manipulations pr voit d observer cette tension il est pr f rable de retirer les fa ades lat rales et de ramener la sonde d oscilloscope au niveau du module IGBT mais cela hors tension Le fait de retirer les fa ades lat rales mat rialise l absence de danger et l interdiction de branchement au r seau B Les connecteurs de puissance en a 3 de couleur noire pour le branchement au r seau du pont redresseur Le redresseur triphas peut tre utilis indiff remment en monophas ou en triphas En sortie de redresseur un connecteur rouge indique la borne positive un bleu la n gative Ces connecteurs ne sont pas reli s d origine aux bornes du pont de condensateurs de filtrage et il est tr s fortement d conseill de les relier directement Il est imp ratif de disposer une r sistance de pr charge que l on shuntera ventuellement apr s la charge initiale des condensateurs ou une inductance de lissage entre le pont redresseur et le pont capacitif En effet si le saut de tension aux bornes des condensateurs est trop important il peut r sulter un tr s fort appel de
19. ns vous reporter en annexe au chapitre Calcul des pertes MLI Soit un moteur synchrone triphas dont les caract ristiques sont les suivantes U 230 V moteur 14 5 Cos 0 85 1500 tr min On dispose d un r seau triphas 380 On d sire pour des raisons de confort auditif et de r duction des harmoniques de bas niveau sur la machine atteindre une fr quence de d coupage de 10 kHz Pouvons nous atteindre cette fr quence sans risquer d endommager les IGBT 1 Pertes en conduction D apr s la Fig 10 en conduction pour l IGBT Vce0 1 7 V etr 4 7 1 7 100 0 03 Q Le courant cr te vaut 1 20 5 Le coefficient m vaut m 0 86 La formule donn e en annexe nous permet de d terminer les pertes en conduction Montage didactique SEMIKRON 16 2 P ong IGBT Vao t r m da 8 N gt 2 2 cl 7 205 0903 205 0 86 0 85 az 20a 26208 113W 2 3 14 4 8 3 3 14 Pour la diode si on regarde la fig 17 Vd0 1 3 V et r 2 3 1 3 100 0 01 Q i 2 Fond DIode m cosg Va ri 8 ST 2 2 E EN i 0860 85 fis 250 10008 W 314 4 8 3 3 14 2 Pertes aux commutations La tension aux bornes des bras de pont est le 380 V redress soit au maximum 1 414 3805540 V En r alit quand le montage est en charge les condensateurs ne restent pas charg s pleine tension et on consid re plut t une tension redress e
20. on de demander conseil aupr s de SEMIKRON Montage didactique SEMIKRON 18 X Les tests r alis s par SEMIKRON Votre montage vous a t livr accompagn d un certificat de test individuel Les tests sont un test en court circuit de chaque IGBT Pour cela l IGBT oppos est shunt au moyen d un c ble du type de ceux utilis s en salle de travaux pratiques et dont l inductance a t choisie de mani re imposer la surtension la plus forte sur l IGBT c est dire le court circuit le plus dangereux pour le composant Un ordre de fermeture d une dur e fixe est alors envoy l IGBT en test sous tension maximale La surtension ainsi que le courant maximal atteint lors du court circuit donc l ouverture sont notifi s sur le certificat de test Le test est jug bon si le court circuit a t d tect par le SKHI 22 qui a renvoy un message d erreur et command l ouverture de l IGBT court circuit et si le test pas eu de cons quence sur le montage Sur les relev s que nous vous envoyons il peut arriver que le courant soit limit une valeur gale environ 10 fois le courant nominal du module ceci gr ce une d saturation progressive de l IGBT eun test en puissance o le montage est test jusqu chauffement maximal sur une charge d livrant le courant et la fr quence indiqu es sur le certificat de test Montage didactique SEMIKRON 19
21. ordre la charge d un IGBT ressemble la charge d un RC La r sistance est fix e par l op rateur c est la r sistance de grille tandis que la capacit est d termin e par le composant lui m me L IGBT est passant lorsque la tension de grille d passe un certain seuil Voen 5 5 V typiquement pour le SKM 50 123 D mais l augmentation de la tension de grille diminue la tension Vce pour un courant donn et donc les pertes Ainsi ces modules ont une commande de grille optimis e 15 La dynamique de l IGBT est ainsi d termin e par le choix de la r sistance de grille et le choix des tensions de commande Le driver SKHI 22 d livre une tension 15V 15V ce qui conf re l IGBT une bonne dynamique la fermeture et l ouveriure et r duit les pertes aux commutations B Les protections des IGBT Comme le montre le figure 2 l aire de s curit dun IGBT est carr e ce qui revient dire que l on peut commuter le plein courant sous pleine tension Ainsi il n est donc pas besoin de circuits d aide la commutation sauf ces rares d applications particuli res r sonance o l on cherche diminuer les pertes aux commute ons KCpan C 25 150 C 15 Roton 22 0 1 fc 40 15 1 05 9 600 1009 1500 V fig 2 Aire de s curit des IGBT en commutation Cependant le point Vmax Imax ne doit pas tre atteint ou alors pendant une dur e tr s courte alors
22. r cautions n cessaires afin de stopper la manipulation en cas d erreur de fonctionnement sur un des bras Les modules de puissance SKM 50 GB 123 D Chacun de ces modules est un bras de pont il est constitu de 2 IGBT en antiparall le avec une diode connect s s rie et dont le point milieu est sur la borne 1 Le collecteur de l IGBT du haut est sur la borne 3 l metteur de celui du bas est sur la borne 2 Les IGBT sont command s la fermeture un ordre de grille Vge 15V et l ouverture 15 V Ces deux commandes sont d livr es par le SKHI 22 au travers d une r sistance additionnelle de grille Rg 30 Ces r sistances sont soud es sur le circuit imprim du driver Le r le de la r sistance de grille est de limiter la vitesse d tablissement du courant et par suite les surtensions induites par les inductances parasites celles de c blage notamment En effet on peut premi re approximation faire correspondre la mise en conduction d un IGBT une charge d un r seau RC Le choix d une valeur importante de a pour effet de prot ger l IGBT contre les surtensions destructives l ouverture en cas de court circuit mais a pour contrepartie d augmenter les pertes aux commutations Le choix propos permet un bon compromis entre pertes et protection de l ensemble et permet d avoir un r sultat acceptable en termes d mission D Les condensateurs de filtrage Ce sont des condensat
23. reporter la partie II RECOMMANDATIONS IMPORTANTES derni re v rification avant le lancement de la manipulation Pr sentation du montage Le montage didactique SEMIKRON vous a t livr emball dans son carton d origine Avant de l ouvrir veuillez v rifier les quelques points suivants A l int rieur de l emballage les l ments suivants doivent tre pr sents 1 Le montage proprement parler 2 Un certificat de test vous garantissant le bon fonctionnement du montage 3 Un catalogue dans lequel vous trouverez la description des diff rentes composantes de votre montage les donn es sur la plupart des articles de SEMIKRON ainsi que des l ments de calcul tr s utiles en premi re partie 4 Ce mode d emploi Le montage didactique se pr sente sous la forme d un ensemble de puissance prot g par un capot protecteur en PVC transparent Sur ce capot ont t dispos s les connecteurs de puissance jusqu 30 A type banane et les connecteurs BNC pour les commandes et le retour des messages d erreur RECOMMANDATIONS IMPORTANTES Pour la s curit du manipulateur il est tr s fortement recommand de suivre les instructions suivantes 1 Toujours surveiller la tension aux bornes des condensateurs Elle ne doit en aucun cas d passer la valeur maximale de 750 De plus apr s un essai ils peuvent rester charg s I faut enfin pr voir que dans un fonctionnement en r cup ration d nergie p
24. repos et de la tension de sortie associ e permet de d terminer ais ment la temp rature chaque instant Les IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor On assiste depuis quelques ann es l av nement de l IGBT en tant que composant tout faire Ses possibilit s en tension courant et fr quence le pr disposent tout particuli rement la commande de moteur ou toutes applications dans les moyennes tensions moyennes fr quences mais l am lioration de ses performances lui autorisent de nouvelles applications jusqu alors r serv es aux traction aux MOS r sonance alimentation ininterruptibles UPS voire m me aux diodes ou thyristors redressement non polluant Les clefs ce succ s tiennent la structure m me de l IGBT Sans rentrer dans le d tail de son architecture lectronique nous dirons que comme le MOS gr ce son entr e de commande capacitive l IGBT est command en tension Sa consommation en courant de commande est donc tr s faible et les conceptions de drivers en sont grandement simplifi es Le rendement en est galement am lior De plus c est un interrupteur commandable l amor age et la fermeture Montage didactique SEMIKRON 8 A La commande d un IGBT Un IGBT est command en imposant une tension entre grille et metteur V Tr CVS NA son V fig 1 Circuit de charge grille d un IGBT Au premier
25. rt cireult gt ie numbers of 8 500 1000 1500 vce M fig 5 Aire de du court circuit Sa tr s bonne tenue au court circuit lui permet d assurer une bonne protection d ensembles tr s on reux dans lequel le montage de puissance ne repr sente qu un co t minime Avec un driver du type de ceux propos s SEMIKRON le court circuit peut tre d tect et l intervention ad quate r alis e en gu re plus 4 ou 5 pS alors que les fusibles ont un temps de r action beaucoup plus long De nombreux d fauts peuvent ainsi tre vit s La figure 5 ci dessus nous montre que le composant est capable de supporter un court circuit jusqu 10 fois le courant nominal 10 x 50 pour nos modules SKM 50 1230 et sous pleine tension 1200 V pendant une dur e de 10 us Au del de cette dur e il y a risque d emballement thermique Le courant de court circuit est de plus automatiquement limit par sa structure interne 10 fois sa valeur nominale pour une dur e plus 10 us Pendant cette d saturation l IGBT vous pouvez voir la tension aux bornes remonter Les calculs de pertes A D o viennent les pertes Un des aspects les plus contraignants des semi conducteurs en commutation est l aspect thermique En effet en raison pour des raisons technologiques la temp rature du silicium que l on appelle temp rature de jonction Tj ne do t en aucun cas d passer une temp rature limit
26. tes en fonction des courants et des tensions fig 8 Pertes aux commutations La figure 8 indique l nergie dissip e au blocage et l amor age Eon pour une tension d entr e de 600V Les courbes peuvent assez bien tre assimil es des droites et on obtient une relation lin aire Montage didactique SEMIKRON 43 Eon Eoff k lc De plus les mesures montrent que l on peut estimer que ces pertes sont elles aussi proportionnelles la tension Eon Eoff Kk U En d finitive on peut consid rer que l on a P commutation f l U K o K est par exemple donn par Eon 50A 600V Eoff 50A600V K 90 A 600V VII Les chauffements Ces pertes doivent tre dissip es de mani re que le composant puisse tre maintenu une temp rature admissible On d finit la r sistance conduire de la chaleur d un mat riau par sa r sistance thermique pour faire un quivalent lectrique En quivalence thermique lectrique la temp rature C sera un potentiel V la puissance thermique W un courant A et la r sistance thermique C W une r sistance Q Comme les potentiels lectriques on exprimera des diff rences de temp ratures ambiant radiateur radiateur bo tier bo tier jonction A Les niveaux thermiques y Brasure d tal SE Cuivre 3 Isolant d alumine QE Semelle de cuivre EE 5 Radiateur
27. tion sur le montage veuillez noter que SEMIKRON ne saurait tre rendu responsable d un quelconque dysfonctionnement r sultant d une intervention sur le montage L enceinte close du montage peut tre ouverte au moyen d une cl ad quate peut en effet tre int ressant de modifier ou supprimer par exemple les condensateurs de d couplage pour observer l effet obtenu Avant remise sous tension il est imp ratif de remettre en place l enceinte et de la refermer Si vous voulez observer les signaux de grille tension grille metteur veuillez prendre note que le driver comprend un isolement galvanique entre commande et puissance ce qui veut dire que les signaux de grille sont isol s lectriquement des signaux de commande Aussi ne relevez jamais ce signal alors que le montage est sous tension Il n est pas recommand de modifier les valeurs de r sistances sur le circuit imprim du driver Toutefois dans certaines applications il peut tre int ressant de visualiser l effet de la variation de la r sistance de grille sur les surtensions en court circuit ou bien de modifier le seuil de d tection de court circuit en intervenant sur les valeurs de Rce et Cce Enfin le temps mort entre l ouverture d un IGBT et l ouverture de oppos peut tre r gl par la r sistance Rtd Pour toute modification nous vous recommandons la plus extr me vigilance car le mat riel est sensible Nous vous conseillons avant toute interventi
28. uce le stationnaire d marre 0 5 s il est inutile de s encombrer de telles consid rations En revanche pour le radiateur cette approche peut s av rer tr s utile En effet il est fortement fr quent que l on doive op rer avec des fonctionnements intermittents ou des surcharges cycliques La mod lisation devient d s lors indispensable Montage didactique SEMIKRON 15 Le data book donne les m thodes de calcul pA 9 lorsque l on fonctionne des r gimes transitoires Il faut cependant disposer des valeurs d imp dances thermiques et des constantes de temps Pour votre montage celles ci sont 3 44 103 1 6 107 7 08 102 5 95 103 Remarque la valeur n gative la derni re imp dance aucune r alit physique simplement un r sultat num rique issu d un algorithme de calcul On peut ainsi d terminer l imp dance thermique chaque instant par la formule Zn 0 2 R Cu L l vation de temp rature sera donn e par les formules incluses dans le data book SEMIKRON pA 9 VIII Exemples d applications A Onduleur triphas MLI Modulation en Largeur d Impulsions La est un type de commande tr s utilis de nos jours pour des applications de type variation de vitesse En effet cette commande permet de faire varier l amplitude et la fr quence du fondamental du courant et par suite la vitesse de rotation d une machine tournante Pour les d monstrations de calcul nous vous invito
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