Composants IGCT de haute puissance au silicium pour

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Composants IGCT
de haute puissance
au silicium pour
applications dans le
secteur moyenne
tension
La conception d’éléments semi-conducteurs pour la commutation des puissances de la gamme des mégawatts au niveau moyenne tension est une mission ardue. Lors des projets, les propriétés naturelles des deux semi-conducteurs disponibles en technique au silicium, à savoir les thyristors GTO (GateTurn-Off) et les transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors),
impliquent des compromis qui augmentent les coûts et la complexité des systèmes de commande. Pour une exploitation fiable, les thyristors GTO n’ont
pas seulement besoin de circuits périphériques complexes, mais présentent
aussi une fréquence de commutation basse. Par ailleurs, les projeteurs de
systèmes conçus en technique IGBT doivent d’une part venir à bout de problèmes de pertes élevées, et d’autre part compenser le besoin élevé de composants et l’exigence d’une disponibilité élevée. La nouvelle technique des
thyristors IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) d’ABB surmonte les
inconvénients, tant des thyristors GTO que des transistors IGBT. Ces thyristors comprennent tous les circuits requis pour assurer la fiabilité des appareils et peuvent s’utiliser sans difficulté pour les missions de commutation
dans la gamme des moyennes tensions.
A
BB fabrique des thyristors GTO et
des transistors IGBT de haute puissance
pour les applications où la fiabilité joue un
rôle prédominant. Leurs domaines d’application résident en particulier dans les moteurs d’entraînements industriels, les groupes de propulsion pour chemins de fer et
navires, ainsi que dans les systèmes de
transport et de distribution d’énergie électrique 1 , 2 . Ils s’utilisent alors souvent aux
niveaux de tension de 2,3 kV, 3,3 kV,
4,16 kV et 6,9 kV.
Développement des composants de
puissance au silicium
ABB a investi en permanence dans le développement et la production de thyristors
GTO et au profit de la technologie des IGBT.
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Un accroissement permanent de la puissance de commutation des deux composants en a résulté 3 . Au cours des dernières années, un certain nombre d’innovations
ont créé une plate-forme pour la conception
et la fabrication d’un commutateur de puissance au silicium qui dépasse le cadre des
performances des GTO et IGBT. Sous sa
désignation IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), cet appareil peut commuter
plus rapidement, avec des pertes plus basses que celles des thyristors GTO et des
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transistors IGBT. Par surcroît, il possède des
propriétés qui permettent aux constructeurs
d’installations de réduire les dimensions et
les coûts des systèmes moyenne tension,
tout en augmentant simultanément leur efficacité et leur fiabilité.
Un commutateur de puissance
meilleur
Au cours des 30 années depuis leur introduction, les composants de puissance au
silicium sont devenus constamment plus
complexes et plus efficaces. Les premiers
thyristors ne pouvaient déclencher qu’à la
fin d’une période. Sous ce rapport, un grand
progrès fut fourni par le thyristor GTO qui
peut commuter en chaque instant d’une période. Les transistors IGBT ont permis des
fréquences de commutation plus élevées,
mais leurs pertes actuelles de commutation
ne sont admissibles qu’à de basses tensions. Pour tous ces semi-conducteurs de
puissance, les chercheurs concentrèrent essentiellement leurs efforts sur le processus
de commutation lui-même, de sorte qu’ils
ne se soucièrent que peu des dépenses
techniques impliquées par les applications
pratiques.
Les thyristors GTO sont formés de milliers d’éléments de commutation individuels
logés sur une pastille de silicium. Des pertes
se produisent aux quatre états de service
(en, hors, enclenchement, déclenchement).
Aux moyennes tensions, les pertes de
conduction des thyristors GTO sont très
basses, tandis que leurs pertes stationnaires
sont encore raisonnables. Pourtant, parce
que le processus de commutation n’est pas
homogène, des circuits externes de protection contre les surtensions (snubbers) sont
nécessaires pour l’opération de commutation. Ces circuits de protection requièrent
plus de la moitié du volume de l’élément fini.
Ils accaparent beaucoup de travail de
conception et provoquent une grande partie
des frais et des pertes.
En revanche, les transistors IGBT ont des
pertes à l’état passant comparativement
plus élevées, mais ils commutent de manière homogène, c’est-à-dire qu’ils n’ont
pas besoin de circuits de protection contre
les surtensions. Ils ne sont toutefois pas
encore disponibles pour tous les niveaux
moyenne tension. Pour remédier à cet inconvénient, les constructeurs doivent brancher en série plusieurs transistors IGBT de
tension de blocage plus basse, ce qui augmente énormément la complexité et les
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pertes, avec la diminution de fiabilité correspondante. C’est ainsi qu’un redresseur
construit pour travailler à 4,16 kV nécessite
pour chaque phase quatre transistors IGBT
de 1,8 kV branchés en série.
Les thyristors GTO peuvent être fabriqués économiquement pour la plupart des
niveaux moyenne tension. On peut prévoir
que dans un avenir rapproché, des IGBT
seront disponibles pour 3,3 et 4,5 kV. Ils
simplifieront à vrai dire la conception des circuits moyenne tension, mais on sait déjà aujourd’hui qu’ils présenteront des pertes élevées. Pour surmonter ces pertes et pour
agir contre la formation de chaleur qui en
découle, les transistors IGBT devront présenter une plus grande surface de silicium,
ce qui augmentera leurs coûts.
Le composant de puissance idéal devrait
commuter comme un IGBT et conduire le
courant comme un GTO. Il devrait réduire
les frais de fabrication et fournir le rendement élevé des thyristors GTO. Ce sont là
exactement les propriétés présentées par le
thyristor IGCT (tableau 1).
A l’aide de la technique IGCT, on peut construire des installations électroniques
de puissance plus compactes et de prix plus avantageux, par exemple
des stations de convertisseurs pour installations CCHT ou des compensateurs
statiques de puissance réactive.
Le secret de la technique IGCT
Dans la technique IGCT, plusieurs innovations ont été nécessaires pour que les nombreux milliers de structures de commutation
individuelles d’un thyristor GTO modifié
puissent commuter rapidement et simulta-
nément. En outre, les faibles pertes à l’état
passant et au blocage propres aux thyristors
sont maintenues.
L’une des principales innovations réside
dans une nouvelle couche tampon, par la-
1
quelle les pertes à l’état passant et à la
commutation ont pu être réduites d’un facteur 2 à 2,5. Par cette couche, le profil de
dopage optimal d’un thyristor GTO et celui
d’une diode deviennent pratiquement identi-
Tableau 1:
La technique IGCT allie les avantages des thyristors GTO et IGBT
Technique de commutation
Avantages des GTO
Avantages des IGBT
Avantages des IGCT
•
•
fréquence de commutation
élevée
faibles pertes de commutation
pas de circuits de protection
contre les surtensions
commande de gâchette
intégrée
•
•
nombre plus petit
de composant
à tension plus basse
approprié au branchement
en série et parallèle en cas
de tension basse
•
configuration modulaire
•
•
livrable pour la plupart
des tensions moyennes
faibles pertes à l’état passant
•
•
•
Commutation de puissance
•
sûreté contre les
défaillances graves
•
•
Equipements
•
•
fiabilité éprouvée
compacité
•
•
•
•
•
•
•
•
fréquence de commutation élevée
faibles pertes de commutation
et à l’état passant
pas de circuits de protection
contre les surtensions
livrable pour la plupart des
moyennes tensions
sûreté contre les défaillances
graves
fiabilité éprouvée
diode et gâchette intégrées pour
diminuer le nombre de composants
approprié au branchement
en série et parallèle
permet la construction d’appareils
modulaires compacts
faibles dépenses en câblages
et en branchements
modules prêts à l’utilisation
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De nombreuses applications des IGCT se trouvent dans la technique
d’entraînement, par exemple pour cette pompe d’alimentation.
ques. Jusqu’ici, l’association d’une diode et
d’un thyristor GTO avait provoqué une forte
diminution des performances de la diode en
question. Bien que l’idée d’une couche tampon soit presque aussi vieille que le thyristor
GTO lui-même, elle n’a jamais été réalisée
pour les raisons suivantes. Pour réduire les
pertes de commutation, la charge présente
à l’état passant de l’appareil doit être élimi-
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née aussi rapidement que possible au déclenchement. Dans un thyristor GTO de
conception conventionnelle, cette mission
est remplie par des points chauds qui fournissent un cheminement d’écoulement aux
électrons. La combinaison de courts-circuits
d’anode et d’une couche tampon aboutit
pourtant à des courants d’allumage et de
maintien extrêmement élevés. Ce problème
Amélioration de la puissance de commutation P des thyristors GTO et IGBT
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a été résolu par la suppression des courtscircuits d’anode. En revanche, l’anode a été
rendue «transparente», c’est-à-dire qu’elle
est perméable aux électrons. Il en résulte
une réduction des courants d’allumage de
presque un ordre de grandeur par rapport
aux thyristors GTO sans tampon.
Une autre innovation importante se situe
au niveau de la commande de la gâchette.
Les GTO et les autres thyristors sont des
dispositifs à quatre couches (npnp). Ce faisant, leur caractéristique ne présente que
deux points stables, à savoir «En» et «Hors».
Chaque état intermédiaire est instable et
provoque des courants de fuite. Cette instabilité propre est encore aggravée par des
défauts de fabrication. Cela a conduit au
mythe que les GTO ne peuvent pas être utilisés sans circuit de protection contre les
surtensions (snubber).
En fait, le GTO ne doit être réduit à un
élément pnp stable, c’est-à-dire comme un
transistor, que pour quelques microsecondes critiques pendant le processus d’arrêt
de conduction. Pour neutraliser la cathode
pendant ce processus, la polarisation de la
jonction np de la cathode doit être inversée,
avant que la tension s’établisse à la jonction
principale. Cela exige la commutation du
courant de pleine charge de la cathode (n)
vers la gâchette (p) en l’espace d’environ
une microseconde. Grâce au développement d’un boîtier de faible inductance, on
peut atteindre une valeur de 4000 A/µs avec
une unité de gâchette de 20 V. Ce faisant,
les courants de fuite sont complètement éliminés. Le comportement de déclenchement
et la gamme de fonctionnement fiable ressemblent alors à ceux d’un transistor (par
ex. d’un IGBT). En outre, les GTO peuvent à
présent commuter immédiatement, sans
provoquer les pleurs qui avaient requis autrefois toute l’ingéniosité des concepteurs
pour la réalisation de circuits en série.
GTO
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IGBT
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Association des semi-conducteurs
de puissance et des expériences
acquises par la conception de
circuits
La technique IGCT est le résultat d’une collaboration intensive entre le département de
développement de composants électroniques d’ABB Semiconductors AG et des
groupes de développement d’onduleurs à
courant fort d’ABB Industrie AG. En fait, ce
fut le développement simultané du silicium
de puissance, du boîtier et des circuits complémentaires requis pour les applications in-
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dustrielles, qui permit de réaliser la combinaison unique en son genre des propriétés
des IGCT.
La technique IGCT englobe l’appareil de
commutation de puissance (GTC) et le circuit de commande (diode de roue libre et la
commande de la gâchette) dans un composant intégré 4 . Parce que l’association et
l’intégration des composants s’effectuent
sur quatre niveaux 5 , 6b , les perfectionnements sont possibles simultanément
dans quatre domaines interdépendants:
faibles pertes de commutation et à l’état
passant dans la gamme des moyennes tensions, circuits plus simples pour la commande des semi-conducteurs de puissance, coûts plus bas du système de puissance, sécurité d’exploitation et fiabilité
accrues. Par l’offre de modules de commutation préconçus et préfabriqués, la technique IGCT fournit aux projeteurs d’équipements moyenne tension la possibilité de développer leurs produits plus rapidement.
Avantages de la technique IGCT
moyenne tension
Pertes de commutation basses
L’avantage de la commutation à pertes plus
faibles réside dans le fait que les constructeurs peuvent choisir la fréquence de commutation qui convient le mieux à l’application spécifique. Dans le cas des semiconducteurs de puissance de construction
ancienne, la fréquence de commutation à
l’intensité nominale était limitée à 250 Hz. La
technique IGCT permet de travailler à une
fréquence jusqu’à quatre fois plus élevée.
Par exemple, un constructeur de systèmes
d’entraînement à moteurs peut choisir une
fréquence de commutation plus élevée,
pour atteindre un meilleur rendement de son
système. D’autre part, il est possible d’améliorer le rendement d’installations d’onduleurs et de diminuer leurs pertes en choisissant une fréquence de commutation plus
basse pour un IGCT.
Réduction
des circuits auxiliaires
Les caractéristiques uniques en leur genre
du GCT au niveau des appareils permettent
une exploitation sans circuits de protection
contre les surtensions, ce qui fournit des
avantages importants. Les installations
d’onduleurs équipées de circuits de protection contre les surtensions sont grandes et
coûteuses, tandis que les mêmes installa-
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n–
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⇒
n
p+
n+
n+
p+ n + p + n + p +
a
p
n
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n
p
p
p
n–
+
n+
b
Comparaison du IGBT et du GCT, dans lequel le commutateur de puissance
et la diode de roue libre sont installés sur la même pastille de silicium.
Le GCT est considérablement plus simple que l’IGBT.
4
a Vue en coupe d’un thyristor GTO (à gauche), d’une diode (au centre) et d’un GCT
(à droite). On constate que la couche émetteur et tampon transparente du
GCT permet une couche de base n plus mince. Ce faisant, il est possible d’intégrer
la diode de roue libre dans la même structure. En relation avec un boîtier et un
circuit de commande de gâchette de faible inductance, il est possible de renoncer
à un circuit de protection contre les surtensions.
b Vue en coupe d’une cellule individuelle d’un IGBT (à gauche) et d’une diode (à droite).
Un circuit intégré IGBT complet est formé d’un grand nombre de telles cellules
monolithiques. La technique MOS limite la grandeur des circuits intégrés IGBT à env.
1–2 cm2, de sorte que plusieurs circuits doivent être branchés en parallèle.
Etant donné que les semi-conducteurs IGBT n’atteignent pas encore les valeurs
de tension de blocage des GCT, ils doivent être branchés en série pour obtenir la
tension de blocage requise par les différentes applications.
tions sans circuits de protection ne présentent pas seulement des pertes plus faibles,
mais sont aussi plus compactes et possèdent moins de composants. La fiabilité est
donc accrue.
La conception d’installations réalisées en
technique IGCT est aussi simplifiée par l’in-
tégration des diodes à roue libre dans la
structure GCT. Cela est rendu possible par
l’épaisseur plus faible de la pastille de silicium GCT (qui provoque aussi la commutation à pertes plus basses) qui permet la fabrication d’une diode efficace sur la même
pastille.
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Pour la construction en couches des composants et
l’intégration des éléments, la technique IGCT offre quatre
niveaux (voir a, b et c, ainsi que la figure 6b).
Les constructeurs d’appareils peuvent utiliser chaque
niveau comme point de départ. Si on choisit une pile IGCT
prête à l’emploi, une grande partie du temps requis
par le projet des circuits de puissance et des systèmes
mécaniques peut être économisée.
a Gate commutated thyristor (GCT)
• Le thyristor GCT et la diode sont intégrés sur la même
pastille.
• Par suite de la conception de l’anode, la charge électrique
peut pénétrer et sortir rapidement du GCT.
• La faible épaisseur de la pastille de silicium limite la charge
accumulée et permet de placer la diode et le commutateur
de puissance sur le même disque.
• Une pastille de silicium plus mince procure des pertes plus
basses à l’état passant.
• Tous les éléments commutent en même temps. On peut
renoncer à un circuit de protection contre les surtensions.
a
b GCT logé dans un boîtier
• Un boîtier à faible inductance assure une pénétration et une
sortie rapide des courants de charge et de commande de
gâchette dans le GCT.
• Le boîtier «Presspack» assure la liberté de mouvement et
prévient les défaillances par fatigue, également par suite de
sollicitations thermiques alternantes de plusieurs décades.
• Le boîtier «Presspack» résiste aux sollicitations thermiques
et accroît la fiabilité.
b
c Commande de gâchette intégrée
• Le circuit de commande de gâchette de faible inductance
prend soin à ce que les courants de commande pénètrent et
quittent rapidement le GCT.
• Le circuit de commande de gâchette localisé et hautement
intégré réduit l’inductance de fuite.
• La construction compacte simplifie la conception des
installations.
c
Composants et systèmes à prix plus
avantageux
Par la mise en œuvre de la technique IGCT,
les frais des convertisseurs servant à la
commande et à la régulation de courant fort
peuvent être réduits de 30 % et davantage.
Différents facteurs y contribuent.
Les GCT peuvent être fabriqués en faisant appel à des procédés de production de
GTO existants. Etant donné que ces procédés sont parfaitement maîtrisés et que les
équipements disponibles peuvent être utilisés, les frais de fabrication des GCT correspondent à ceux des thyristors GTO. En
comparaison des IGBT, les thyristors GCT
sont moins sensibles aux fluctuations du
procédé, c’est-à-dire que celles-ci n’exercent aucune influence sur le comportement
de déclenchement. Le rendement de la fabrication est donc amélioré et les frais sont
réduits. En outre, la simulation des GCT est
plus simple, ce qui se traduit par des frais
plus bas et des temps de développement
de systèmes plus courts.
Par la technique GCT, le nombre de composants des circuits de puissance est réduit
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de jusqu’à 50 %. Cela provient du fait que
les diodes sont intégrées dans le thyristor
GCT et de manière générale, par la réduction des câblages due à la forte intégration
des éléments. D’autres réductions de frais
sont possibles par la fréquence d’exploitation plus élevée qui permet de choisir certains composants plus petits. En complément, la puissance requise par le circuit de
commande de la gâchette est beaucoup
plus basse, ce qui permet l’utilisation de
composants meilleur marché.
Les équipements conçus en technique
IGCT atteignent des rendements plus élevés
que ceux accessibles par d’autres techniques. Les pertes dans les circuits de puissance et dans les circuits auxiliaires correspondants sont plus basses. Les dispositifs
de refroidissement en deviennent plus compacts, ce qui se manifeste une fois de plus
par une réduction des coûts.
Fiabilité et disponibilité
Dans le contexte général, les frais d’installations de commande et de régulation de puissance sont bas par rapport aux frais causés
par la défaillance de procédés industriels. La
disponibilité de ces composants et systèmes
est donc d’importance prédominante. La
technique IGCT a été développée spécialement pour les applications dans le domaine
moyenne tension. Elle fournit une fiabilité
maximale par ses caractéristiques suivantes:
• Commutation homogène
• Technique d’empilage robuste, analogue
à celle des thyristors (pas de câblages)
• Circuits de commande de gâchette simplifiés
• Nombre plus petit de composants
Ce dernier point diminue aussi les frais des
stocks de pièces de rechange. En complément, dans un cas de défaillance très improbable, la configuration modulaire de la technique IGCT simplifie et accélère le remplacement d’un composant de puissance, de
sorte que les différents procédés industriels
ne sont pas interrompus, ou seulement brièvement.
Applications de la technique IGCT
Lors de l’utilisation d’un thyristor IGCT, le
principal avantage réside dans son aptitude
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Comparaison d’un convertisseur à thyristors GTO et d’un convertisseur à thyristors IGCT de même puissance et
de même tension. La technique IGCT permet une configuration beaucoup plus simple, ce qui se répercute sur les coûts
et procure une fiabilité plus élevée.
a Convertisseur à thyristors GTO
b Convertisseur à thyristors IGCT avec les caractéristiques suivantes:
– Les éléments IGCT se montent facilement en configuration compacte.
– La structure permet le remplacement rapide des IGCT dans le cas improbable
d’une défaillance.
de déclencher en 2 microsecondes et d’être
passant comme un thyristor. C’est pourquoi
la technique IGCT permet de réaliser des
installations d’onduleurs dont les pertes
n’atteignent que la moitié de celles des
autres techniques. Grâce aux IGCT, on peut
construire des configurations de circuits
d’une puissance nominale atteignant
100 MW. Autrefois, de telles puissances exigeaient le montage en série de nombreux
composants au silicium. Les équipements
moyenne tension construits avec la nouvelle
technique se distinguent en outre par leur
fiabilité très élevée.
Pour la première fois, la technique au silicium a pu être adaptée aux applications
moyenne tension de haute puissance. A
présent, il est possible de construire des
systèmes de commande et de régulation
plus fiables, plus compacts et de prix plus
avantageux, par exemple:
• Convertisseurs de fréquence pour alimentations ferroviaires
• Couplages de réseaux
• Compensateurs de courant réactif pour
la régulation du facteur de puissance 1
•
•
•
•
•
•
•
Entraînements moyenne tension pour
tensions de réseau jusqu’à 6,9 kVeff
Entraînements de pompes et de ventilateurs pour l’industrie chimique et pétrochimique 2
Entraînements principaux électriques de
navires
Alimentations en courant ferroviaire sans
transformateurs
Entraînements de locomotives électriques
Convertisseurs de fréquence pour chauffage inductif
Disjoncteurs statiques
La technique IGCT est disponible
ABB est le fournisseur leader de composants et de systèmes électroniques de puissance. Cette position de pointe est illustrée
de manière exemplaire par les innovations
techniques rendues possibles par la technique IGCT. Même aux puissances les plus
élevées, les installations réalisées avec cette
technique se distinguent par leurs coûts
plus bas et leur fiabilité élevée. A présent, les
constructeurs d’installations à électronique
de puissance du domaine moyenne tension
6
peuvent choisir entre trois technologies de
composants de puissance au silicium, à savoir les thyristors GTO, IGBT et IGCT. La
technique IGCT s’utilise de préférence dans
les cas où une construction compacte, un
rendement élevé, un développement rapide
et une fiabilité éprouvée sont déterminants.
Bibliographie
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1996, Nuremberg
[2] Grüning H.; Zuckerberger, A.: Hard
drive of high power GTOs: better switching
capability obtained through improved gate
units. IEEE Paper 0-7803-3544-9/96.
Adresse de l’auteur
Harold M. Stillman
ABB Corporate Technology
ABB Asea Brown Boveri SA
Case postale 8131
CH-8050 Zurich
Téléfax: +41 (0) 1 317 79 68
E-mail: [email protected]
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