Conception et réalisation d`un module d`évaluation de transistors de
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Projet de fin d’études Conception et réalisation d’un module d’évaluation de transistors de puissance Auteur : Julien Mosca Date : Du 2 Février 2014 au 25 Juillet 2014 Tuteur en entreprise : Mr. Joseph Iliev Tuteur INSA : Mr. Jean-Michel Hubé GE5-E 2014 MOSCA Julien – GE5E Fiche objectifs Sujet : Conception et réalisation d’un module d’évaluation de transistors de puissance. Tuteur : Joseph ILIEV – Ingénieur recherche et développement dans le département électronique de puissance. Contexte : Mon projet de fin d’études s’est déroulé du 3 février au 25 juillet 2014 dans le département de recherche et développement en électronique de puissance dans l’entreprise Bruker Biospin à Wissembourg. Objectifs : Le but de ce projet est de concevoir et réaliser un système, ou plusieurs, permettant d’évaluer des transistors de puissance lors des commutations. Ces évaluations ont pour but de pouvoir caractériser au mieux ces transistors, afin de pouvoir effectuer des choix lors de la réalisation de modules complets, souvent utilisés dans la conception d’alimentations électriques et en électronique de puissance en général. Le projet peut être décomposé en plusieurs objectifs, dont le principal, est de fournir un produit fini et fonctionnel, simple d’utilisation. Le deuxième objectif est de pouvoir comparer les différents dispositifs de mesure de courant et de tension, afin de proposer les meilleures solutions de mesure. Un troisième, secondaire lors de la définition du cahier des charges et des objectifs, est de réaliser différents essais, afin d’effectuer des comparaisons de performance sur un échantillon de transistors définis au préalable. Ces transistors ont été approvisionnés directement par les fabricants, et son déjà disponibles au commencement du stage. Cet objectif s’est au final révélé nécessaire, afin de pouvoir se familiariser avec les problématiques liées aux commutations des transistors de puissance. 2 MOSCA Julien – GE5E Résumé condensé Le développement d’alimentations à découpage tel qu’il est effectué chez Bruker Biospin voit des caractéristiques comme les fréquences de fonctionnement ou les puissances augmenter de façon significative. Tout ceci dans le but de rester compétitif, et améliorer les performances des systèmes. De plus, les progrès effectués dans le domaine des transistors de puissance ainsi que l’émergence de nouvelles technologies de fabrication, comme le Carbure de Silicium par exemple, offre de nombreuses possibilités de conception de modules de puissance. C’est pourquoi le développement de telles alimentations, nécessite une maîtrise la plus complète des ces composants. Mon projet est né de ce besoin et a pour but de développer un module permettant l’évaluation et l’observation des comportements en commutation de transistors de puissance, de différentes technologies. Abstract Design and implementation of a power transistor evaluation test system Switch mode power supplies (SMPS) development as it is performed at Bruker Biospin see features such as operating frequency or output power increasing significantly. This is necessary for staying competitive and improving system performances. In addition, advances in the power transistor field such as new technologies rising (Silicon Carbide or Gallium Nitride) provide many power modules design possibilities. That is why the development of these power supplies requires a perfect control of these components. My project was born of this need in particular and it is intended to develop an evaluation module. It has to allow observation and analyze of some power transistors behaviors in switching mode. 3 MOSCA Julien – GE5E Remerciements Je tiens tout d’abord à remercier l’organisme d’accueil, l’entreprise Bruker Biospin, pour m’avoir permis d’effectuer ce stage au sein de leurs locaux. Plus particulièrement, un grand merci à Mr. Iliev Jospeh, ingénieur R&D en électronique de puissance, qui a initié ce projet et qui m’a fait confiance, m’a dirigé et épaulé pour la réalisation de celui-ci. Ses connaissances et ses conseils m’ont permis d’apprendre énormément que ce soit au niveau technique, mais également au niveau humain et relationnel. Et enfin merci à lui de m’avoir mis en relation certaines personnes de l’entreprise Sigmaphi Electronics, grâce auxquelles j’ai pu obtenir un poste en tant qu’ingénieur en bureau d’études en électronique de puissance dès la fin de mon stage. Je tiens également à remercier Mr. Didier Varney, avec qui je partageais le laboratoire, pour son accueil chaleureux et les bons moments passés durant ces 6 mois. Merci également à Mr. Philippe Barthélémy pour son aide et ses conseils lors de différents travaux annexes réalisés en parallèle de mon stage. Enfin, je tiens à remercier tout le personnel de Bruker Biospin à Wissembourg, pour leur accueil et leur disponibilité lors de ce stage, et pour m’avoir permis de passer une période très agréable en leur compagnie. 4 MOSCA Julien – GE5E Table des matières Fiche objectifs ........................................................................................................................................ 2 Résumé condensé .................................................................................................................................. 3 Abstract .................................................................................................................................................. 3 Remerciements ...................................................................................................................................... 4 Table des figures .................................................................................................................................... 7 Introduction ........................................................................................................................................... 9 Chapitre 1. Présentation de l’entreprise .............................................................................................. 10 1. Présentation du groupe Bruker ............................................................................................... 10 1.1. Présentation générale ...................................................................................................... 10 1.2. Organisation ..................................................................................................................... 11 1.3. Chiffres clés et implantation ............................................................................................. 11 2. Présentation de la division Bruker Biospin .............................................................................. 12 2.1. Présentation générale ...................................................................................................... 12 2.2. Organisation ..................................................................................................................... 13 2.3. Chiffres clés ...................................................................................................................... 13 3. Le site de Wissembourg ........................................................................................................... 14 Chapitre 2. Présentation du projet ....................................................................................................... 15 1. Problématique ......................................................................................................................... 15 2. Cahier des charges ................................................................................................................... 17 3. Approche de travail ................................................................................................................. 19 Chapitre 3. Etude théorique et choix techniques ................................................................................. 21 1. Introduction au test dit “double pulse” ................................................................................... 21 1.1. Objectifs ........................................................................................................................... 21 1.2. Principe ............................................................................................................................. 21 ............................................................................................................................................................. 21 1.3. Utilisation de ce tests dans le cadre du projet .................................................................. 23 2. Structures des circuits électriques ........................................................................................... 23 2.1. Puissance .......................................................................................................................... 23 2.2. Commande ....................................................................................................................... 26 3. Conception des schémas ......................................................................................................... 33 5 MOSCA Julien – GE5E Chapitre 4. Réalisations pratiques ........................................................................................................ 35 1. Assemblage des cartes ............................................................................................................ 35 2. Conception du boîtier .............................................................................................................. 35 Chapitre 5. Essais et mesures ............................................................................................................... 37 1. Tests préliminaires................................................................................................................... 37 2. Comparaison des moyens de mesure ...................................................................................... 38 2.1 Mesure de tension ............................................................................................................ 38 2.2. Mesure de courant ........................................................................................................... 41 3. Etude de l’influence de différents paramètres ........................................................................ 46 3.1. Effet de l’éloignement des cartes de commande.............................................................. 46 3.3 Insertion du dispositif « Miller Clamp » ............................................................................. 50 3.4 Essais en température ....................................................................................................... 51 4. Campagne de mesure .............................................................................................................. 53 Conclusion ............................................................................................................................................ 56 6 MOSCA Julien – GE5E Table des figures Figure 1: Un spectomètre Bruker, sa console et son alimentation. ...................................................... 10 Figure 2: Implantation des sites du groupe Bruker............................................................................... 12 Figure 3: Evolution du chiffre d'affaire de Bruker Biospin France ........................................................ 13 Figure 4: Vue aérienne du site de Wissembourg .................................................................................. 14 Figure 5: Vu interne d'un module de puissance du fabricant CREE ...................................................... 15 Figure 6: Boîtier standard TO-247-3 ..................................................................................................... 17 Figure 7: Représentation des grandeurs à mesurer ............................................................................. 18 Figure 8: Liste non détaillée des tâches réalisées ................................................................................. 19 Figure 9: Schéma de principe du test dit du "double pulse" ................................................................ 21 Figure 10: Simulations du test du "double pulse" avec de haut en bas: tension de commande du transistor, courant le traversant et tension à ses bornes. .................................................................... 22 Figure 11: Schéma de principe de la première carte de puissance....................................................... 24 Figure 12: Schéma de principe de la deuxième carte de puissance ..................................................... 24 Figure 13: Schéma de principe de la troisième carte de puissance ...................................................... 25 Figure 14: Schéma de principe de la quatrième carte de puissance..................................................... 26 Figure 15 : Composition générale des cartes de commande ................................................................ 27 Figure 16 : Vue d'une carte de commande assemblée ......................................................................... 27 Figure 17 : Carte de génération de signal ............................................................................................. 29 Figure 18 : Principe de fonctionnement de la carte de génération de signal de commande ............... 30 Figure 19 : Chronogrammes de la carte de génération de signal ......................................................... 31 Figure 20 : Exemple d'un schéma d'une carte de puissance avec le logiciel "Orcad" ........................... 33 Figure 21: Exemple d'un schéma d'une carte de commande avec le logiciel "Orcad".......................... 34 Figure 22: Cartes vierges, prêtes à être assemblées. Au milieu, une carte de puissance et deux cartes de commande sur les côtés. ................................................................................................................. 35 Figure 23: Vue du dessus du boiter contenant le module d'évaluation. .............................................. 36 Figure 24 : Oscillogramme obtenus lors des essais de validation de fonctionnement du système avec une configuration en test du "double pulse" ....................................................................................... 37 Figure 25 : Sonde passive Lecroy .......................................................................................................... 38 Figure 26 : Sonde différentielle "Probe Master" .................................................................................. 38 Figure 27: Sonde différentielle "Lecroy" .............................................................................................. 39 Figure 28 : Comparaison des sondes de tension - Mesures de Vds ...................................................... 39 Figure 29 : Comparaison des sondes de tension - Mesures de Vds - ZOOM ........................................ 40 Figure 30 : Comparaison des sondes de tension - Mesures de Vgs ...................................................... 40 Figure 31 : Shunt coaxial ...................................................................................................................... 41 Figure 32 : Sondes "Pearson" ............................................................................................................... 42 Figure 33: Transformateur de courant ................................................................................................. 42 Figure 34: Représentation du principe de mesure de courant avec les deux sondes Pearson ............. 43 Figure 35 : Tore de Rogowski ............................................................................................................... 43 Figure 36 : Pince ampère-métrique ...................................................................................................... 44 7 MOSCA Julien – GE5E Figure 37: Comparaison des sondes de courant - Shunt coaxial et les deux sondes Pearson. ............. 44 Figure 38 : Comparaison des sondes de courant – Pince ampère métrique, shunt coaxial et sonde Pearson (modèle de droite sur la figure 32). ........................................................................................ 45 Figure 39: Comparaison des sondes de courant – shunt coaxial, sonde Pearson (modèle de droite sur la figure 32) et tore de Rogowski. ........................................................................................................ 45 Figure 40: En foncé, courbes pour une commande proche du transistor et en clair, courbes pour une commande éloignée de 5cm. ............................................................................................................... 47 Figure 41: En foncé, courbes pour une commande proche du transistor et en clair, courbes pour une commande éloignée de 10cm, avec des fils torsadés........................................................................... 48 Figure 42: En foncé, courbes pour une commande proche du transistor et en clair, courbes pour une commande éloignée de 10cm, avec des fils non torsadés. .................................................................. 49 Figure 43: Illustration du phénomène lié à la capacité de Miller ......................................................... 50 Figure 44: Principe du "Miller Clamp" .................................................................................................. 51 Figure 45: Comparaison d'un essai à 30°C et d'un essai à 150°C - Blocage .......................................... 52 Figure 46: Comparaison d'un essai à 30°C et d'un essai à 150°C - Mise en conduction ....................... 52 Figure 47: Mise en évidence du courant de queue sur la solution de ST Microelectronics .................. 55 Figure 48: Mise en évidence de l'absence de courant de courant de queue pour la solution de Infineon ................................................................................................................................................ 55 8 MOSCA Julien – GE5E Introduction Après 5 années de formations dans le cycle ingénieur à l’INSA de Strasbourg, un stage de fin d’étude obligatoire, en France ou à l’étranger, vient terminer cette formation. Ce stage a pour but de réaliser un projet complet, s’appuyant sur ses acquis scolaires et professionnels, ainsi que sur la vie de l’entreprise d’accueil. C’est pourquoi ce stage vient non seulement terminer la formation d’ingénieur, mais il sert également de tremplin entre la vie étudiante et la vie professionnelle. En effet, il est l’occasion pour l’étudiant de vivre une immersion totale dans une entreprise, pour une durée minimale de 20 semaines. Et c’est cette intégration, associée au projet proposé et réalisé, ainsi qu’aux compétences acquises tout au long su cursus scolaire, qui nous permet à nous, futurs ingénieurs de nous confronter à la réalité et aux problématiques de l’entreprise. La communication, le travail en collaboration, l’autonomie et la prise de décision sont des critères très importants pour l’ingénieur. Et ce stage permet de se familiariser avec ces notions, tout en étant encadré par un tuteur. J’ai personnellement effectué mon stage au sein de l’entreprise Bruker Biospin qui conçoit, développe et distribue des solutions d’analyse chimique, et d’imagerie par résonnance magnétique (IRM). Ce stage, dont les différentes parties seront développées dans ce rapport, m’a apporté de nombreux enseignement que ce soit au niveau technique, comme au niveau de la gestion de projet et de la vie en entreprise. Ce rapport va donc présenter l’entreprise d’accueil dans une première partie, la problématique qui m’a été proposée et qui a conduit à la réalisation du projet dans une seconde partie. La troisième partie concernera le déroulement du projet, avec ses différentes phases telles que l’étude théorique et les simulations, les différents choix techniques effectués, la réalisation, les essais et les analyses. 9 MOSCA Julien – GE5E Chapitre 1. Présentation de l’entreprise 1. Présentation du groupe Bruker 1.1. Présentation générale Présent dans le monde entier, et leader sur ses marchés, le groupe Bruker conçoit, fabrique et commercialise des instruments et des solutions analytiques pour la recherche scientifique. Ces instruments utilisent notamment le principe de la Résonnance Magnétique Nucléaire (RMN). Les systèmes Bruker couvrent un large éventail d’applications dans tous les domaines de la recherche et du développement comme par exemple les sciences de la vie, pour l’étude des petits animaux dans un secteur préclinique. Ces systèmes sont également utilisés dans des secteurs tels que l’agroalimentaire, ou encore l’environnement pour du contrôle et de la qualité, mais encore dans de nombreux procédés industriels de production pour réaliser de l’imagerie des surfaces par exemple. Figure 1: Un spectromètre Bruker, sa console et son alimentation. La création de la société Bruker est due principalement à un seul homme, Günther Laukien qui étudia dans le domaine de la physique et plus particulièrement dans le domaine de la résonnance magnétique nucléaire. En 1960, il devint professeur de physique expérimentale à Karlsruhe (Allemagne) et continua ses travaux de recherche, tant théoriques qu’expérimentaux. En parallèle, des laboratoires Américains faisaient de grandes avancées dans le domaine de la résonnance magnétique nucléaire et son utilisation dans la chimie analytique. Le professeur Laukien voyant là une opportunité de commercialiser des appareils nouveaux, fondât sa propre entreprise. Aujourd’hui, le président du groupe Bruker est Frank Laukien, un de ses fils. 10 MOSCA Julien – GE5E 1.2. Organisation Aujourd’hui, le groupe BRKR qui est côté en bourses au NASDAQ depuis 2012, regroupe plusieurs entités dont les principales sont Bruker AXS, Bruker Daltonics, Bruker Optics, Bruker EST et Bruker Biospin, qui est historiquement la première entreprise fondée par le professeur Laukien. La suite développe en quelques lignes, les compétences de chaque division. Bruker AXS développe fabrique et commercialise des solutions basées sur les rayons X, permettant de déterminer la structure en trois dimensions de composés biologiques et chimiques. Les applications principales sont présentes dans l’industrie pharmaceutique, biotechnologique et chimique, mais également l’industrie des polymères et des semiconducteurs. Bruker Daltonics est l’un des spécialistes mondiaux en spectrométrie de masse dans les applications comme la protéomique (Identification et caractérisation fine des protéines par exemple). Bruker Optics est spécialiste mondial en spectrométrie infrarouge dont les solutions sont utilisées dans des domaines tels que le contrôle qualité en chimie ou la pharmaceutique par exemple. La division Biospin sera quant à elle décrite dans une partie suivante étant donnée que c’est dans cette division que mon stage s’est déroulé. 1.3. Chiffres clés et implantation Le groupe BRKR avec toutes ses entités est présent sur tous les continents avec plus de 90 bureaux, le tout réunissant environ 6000 collaborateurs. Le siège social du groupe est implanté aux Etats-Unis, dans la ville de Billierica, état du Massachusetts. Les principaux sites de recherche et développement mais aussi de production, sont situés en Europe (France, Allemagne et Suisse). 11 MOSCA Julien – GE5E Figure 2: Implantation des sites du groupe Bruker Selon les derniers chiffres communiqués, le groupe a réalisé un chiffre d’affaire de 1.871M de Dollars, pour un résultat net de 107M de Dollars pour l’année 2013. Les prévisions pour l’année 2014 sont de 1.935M de Dollars en ce qui concerne le chiffre d’affaire, et 152M pour le résultat net. Le groupe Bruker attache une grande importance au secteur de la recherche et du développement, c’est pourquoi 10 % du chiffre d’affaire annuel sont consacrés à la R&D. 2. Présentation de la division Bruker Biospin 2.1. Présentation générale La division Bruker Biospin du groupe propose une gamme complète de solutions analytiques basées sur la résonnance magnétique nucléaire (RMN), sur l’imagerie par résonnance magnétique (IRM) et également sur la résonnance paramagnétique électronique (RPE). Tous les produits sont conçus, développés et distribués par Bruker, des aimants supraconducteurs en passant par les alimentations électriques. Historiquement, Bruker Biospin fût la première entreprise, spécialisée à ses débuts dans la résonnance magnétique nucléaire. Au cours des années, l’entreprise s’est étendue et à amenée à la création du groupe BRKR. Bruker Biospin couvre tous les domaines de l’entreprise, de la conception et la R&D au SAV en passant par les ressources humaines et la production. 12 MOSCA Julien – GE5E 2.2. Organisation Bruker Biospin est représenté dans le monde entier. Les trois principaux sites de la division Biospin qui regroupent l’ensemble de la R&D du groupe sont situés en Allemagne à Karlsruhe, et en Suisse à Fällanden et à Wissembourg, en France, dans lequel j’ai effectué mon stage de fin d’études. Le site de Wissembourg est également le siège social de Bruker Biospin France. 2.3. Chiffres clés Basé en Alsace depuis 1968, La division Française de Bruker Biospin emploie environ 300 personnes, dont 46% d’ingénieurs. Son chiffre étant de 84M d’euros pour un résultat net de 2.7M d’euros pour l’année 2011. Le budget consacré à la recherche et au développement représente environ 10% du chiffre d’affaire annuel. Le graphique ci-dessous montre l’évolution du chiffre d’affaire du site de Wissembourg, de 1995 à 2011. Figure 3: Evolution du chiffre d'affaire de Bruker Biospin France 13 MOSCA Julien – GE5E 3. Le site de Wissembourg Figure 4: Vue aérienne du site de Wissembourg Le site de Wissembourg regroupe de nombreuses activités, à savoir la production et le test d’aimants supraconducteurs, la mécanique, l’électronique de puissance et l’électronique haute fréquence principalement. J’ai été intégré dans le secteur recherche et développement en électronique de puissance du site de Wissembourg, qui est d’ailleurs le seul secteur de recherche en électronique de puissance de toute la société Bruker Biospin. Elle comporte deux personnes à plein temps: un ingénieur et un technicien, ainsi qu’une troisième personne travaillant à temps partiel en tant qu’ingénieur. Leur activité principale est de développer des alimentations stabilisées permettant de fournir des impulsions de courant stables et régulières pour des appareils de résonnance magnétique. Ces appareils permettent d’effectuer de l’étude dans des domaines tels que les sciences de la vie, la science des matériaux, la chimie, et bien d’autres encore. Mon arrivée dans l’entreprise se déroule dans un contexte particulier car celle-ci était en pleine restructuration, depuis quelques semaines. En effet, elle souhaite développer de plus en plus la sous-traitance notamment pour ce qui concerne le secteur de la production. Mais de nombreux autres projets de restructuration sont également en cours, comme par exemple des aménagements d’horaires de travail. De plus, les locaux de étaient partagés avec l’entreprise Sigmaphi Electronics, celle-ci ayant acheté la majeure partie du département électronique de puissance de Bruker Biospin Wissembourg. 14 MOSCA Julien – GE5E Chapitre 2. Présentation du projet Cette partie a pour but de bien situer la problématique du projet, et de comprendre pourquoi celui-ci a été réalisé. Elle est divisée en trois sous parties, à savoir la présentation de la problématique, le cahier des charges du projet dans sa globalité, ainsi que le déroulement de celui-ci. 1. Problématique Les progrès effectués dans le domaine des transistors de puissance ainsi que l’émergence de nouvelles technologies de fabrication, comme le Carbure de Silicium ou le Nitrure de Gallium par exemple, offre de nombreuses possibilités de conception, sous condition de maîtriser parfaitement ces composants. De plus, dans des alimentations à découpages comme celles développées chez Bruker Biospin, l’augmentation des fréquences de découpage ainsi que des puissances de sortie nécessite la réalisation de modules de puissances customisés. Pour donner un ordre de grandeur, les fréquences de découpages mises en jeu sont de l’ordre de la centaine de kHz (100kHz, voire 200kHz), pour des puissances de quelques kW. Un exemple de l’intérieur d’un de ces modules est présenté sur la figure ci-dessous : Figure 5: Vu interne d'un module de puissance du fabricant CREE Ces modules constitués d’association de transistors et de diodes, doivent être réalisés de façon à minimiser les coûts de fabrication, ainsi que les coûts de fonctionnement, c’est-à-dire minimiser les pertes et donc augmenter le rendement. De surcroît, les documentations concernant certains composants, présentent des caractéristiques et des données parfois incomplètes ou dont les résultats ont été obtenus dans des conditions de courant ou tension ou température très particulière. Ces conditions ne correspondent quasiment jamais aux conditions réelles d’utilisation de ces composants. Il est donc parfois utile de pouvoir tester et comparer 15 MOSCA Julien – GE5E leurs performances dans des conditions autres que celles présentes dans ces documentations. Le but est de pouvoir choisir le composant offrant les meilleures performances dans les conditions d’utilisation que l’on souhaite. Tout ceci amène à la nécessité de posséder une connaissance et une maîtrise totale des semi-conducteurs utilisés et c’est là qu’intervient le projet que l’on m’a confié. Ce projet a donc pour but de concevoir et réaliser un module d’évaluation de transistors de puissance, permettant d’observer le comportement (les pertes entre autre) de ceux-ci lors des commutations. Ces évaluations permettront de choisir les meilleurs semi-conducteurs, ou les meilleures configurations afin de réaliser un module de puissance optimal. Pour le moment, aucun fabricant de composant ne met à disposition un système permettant d’effectuer ces évaluations. C’est pourquoi la réalisation de ce module est nécessaire si on veut obtenir une maîtrise totale des semi-conducteurs de puissance. L’utilisation de ce module devra être la plus simple possible, afin de limiter les manipulations lors des tests, ou lors des changements de configuration par exemple. Ce module d’évaluation sera utilisée par l’ingénieur du bureau de recherche et développement en électronique de puissance, qui est la personne ayant initiée ce projet, et par la même occasion mon tuteur lors de celui-ci. 16 MOSCA Julien – GE5E 2. Cahier des charges Le cahier des charges qui a été défini en début de stage est le suivant. L’objectif est de réaliser un ou plusieurs modules d’évaluation de transistors de puissance. Les transistors à évaluer sont de plusieurs technologies, notamment Silicium (Si) et carbure de Silicium (SiC). Pour les transistors au Silicium, il s’agit principalement d’IGBT et de MOSFETs tandis ce que pour les transistors au Carbure de Silicium, les différentes familles sont : MOSFET et JFET N-ON (Passant à l’état repos). Il faudra donc éventuellement prévoir non pas un mais plusieurs montages afin de pouvoir réaliser des tests sur tous ces composants. Tous les transistors ont été fournis dans leur boîtier standard : le TO-247-3, comme illustré sur l’image cidessous. Figure 6: Boîtier standard TO-247-3 La méthode de test du double pulse servira comme base de travail. Néanmoins il ne s’agit pas de reproduire le test réalisé par les fabricants à l’identique, mais de l’adapter aux différentes applications souhaitées qui seront détaillées par la suite. Une méthode simple devra donc être trouvée afin de produire le signal de commande adéquat. Les différents montages devront être composés d’une chaîne de transformation et d’adaptation du signal de commande (« driver »), d’une chaîne de conversion de tension isolée, d’une chaîne de mesure, et de la partie puissance proprement dite comportant le ou les transistors à tester. Le but des tests est de pouvoir observer (pour ensuite analyser et interpréter) les comportements des différents composants à la mise en conduction et au blocage. C’est pourquoi les tests devront pouvoir être effectués dans différentes conditions : - Le courant que les composants devront commuter doit pouvoir être variable de 0 à 80A. La tension du bus continu devra être réglable de 0 à 400V environ. Les niveaux de tension de commande des transistors devront être réglables, idéalement comprises entre -6V et +20V. La température des composants (transistors et diodes) doit elle aussi pouvoir être modifiée (150°C maximum). 17 MOSCA Julien – GE5E Tous les montages réalisés devront être compatibles avec tous les composants disponibles (transistors et diodes). Les composants à tester était déjà choisis et disponibles lors du début de l’étude. Les transistors devront être pilotés de manière optimale de façon à ce que la commande perturbe le moins possible les grandeurs à mesurer, et inversement. Le routage a donc une très grande importance quant au bon fonctionnement des cartes. Les mesures devront être réalisées avec le plus grand soin afin d’assurer un maximum de précision et un minimum de perturbations. Le choix des appareils de mesure et des solutions de mesure devra donc être optimal et fait partie des objectifs de ce projet. Cependant, un nombre important de moyens de mesures sont à disposition. Ils devront donc faire l’objet de comparaison afin d’évaluer les performances de chacun. Les grandeurs à mesurer pour l’application sont représentées sur la figure ci-dessous avec en rouge les courants et en bleu les tensions. Toutes les grandeurs représentées sur cette figure, mais également les configurations des cartes de commande et des cartes de puissances seront des données devant êtres variables (ou interchangeable pour les cartes de commande et les configurations de puissance). Ceci dans le but d’avoir un panel de test possible le plus large possible. T°C Vds_T1 Driver T1 Vgs_T1 I_T1 Commande I_L L I_T2 CC T°C Vds_T2 Driver Vgs_T2 T2 Figure 7: Représentation des grandeurs à mesurer 18 MOSCA Julien – GE5E 3. Approche de travail Le travail tel qu’il sera décrit dans le détail dans la suite de ce rapport, a été découpé en plusieurs étapes au départ de ce projet. Le travail étant conséquent, il fût nécessaire de l’organiser de façon intelligente. Voici une liste non détaillée des tâches réalisées, classées par ordre chronologiques, suivi du diagramme de Gantt correspondant. Figure 8: Liste non détaillée des tâches réalisées 19 MOSCA Julien – GE5E 20 MOSCA Julien – GE5E Chapitre 3. Etude théorique et choix techniques 1. Introduction au test dit “double pulse” 1.1. Objectifs Les fabricants de composants tels que des transistors ou des diodes de puissance réalisent différents tests afin de fournir des documentations techniques. Parmi ces tests, il en existe un appelé communément « test du double pulse ». Ce tests qui sera décrit plus bas, permet d’effectuer des mesures et des observations de performances lors de la commutation des composants, que ce soit un transistor ou une diode. 1.2. Principe Le principe général de ce test est simple et une représentation simplifiée est présente sur la figure 9 ci-dessous. D CC iL C L Vds Vgs Figure 9: Schéma de principe du test dit du "double pulse" Une fois le montage réalisé, deux impulsions sont envoyées sur la grille du transistor. Ces deux impulsions permettent dans un premier temps de fermer le transistor pendant un temps défini afin de faire croître le courant dans le circuit (étape 1 sur la figure 10 ci-dessous). La croissance de ce courant s’effectue grâce à l’inductance L présente dans ce convertisseur. Ce temps est calculé de façon à avoir le courant désiré dans l’inductance. Le transistor est ensuite ouvert et de nouveau fermé sur une durée très courte (étape 2) qui est calculée de façon à ce que le courant dans le circuit soit le même à la mise en conduction et au blocage du transistor. 21 MOSCA Julien – GE5E Grâce à ce test on peut observer les caractéristiques au blocage et à la mise en conduction pour un courant à commuter et une tension aux bornes du composant à tester définis de façon précise par l’utilisateur. Une simulation effectuée grâce au logiciel PSIM donne les résultats suivants (figure 10) avec la tension de commande du transistor au dessus, le courant circulant dans le transistor au milieu, et la tension entre drain et source du transistor (Vds) en dessous. Ces simulations ont été effectué afin de comprendre le fonctionnement et l’objectif du test du double pulse, les courbes représentées ci-dessous servent à en illustrer le principe général. 1 2 1 Figure 10: Simulations du test du "double pulse" avec de haut en bas: tension de commande du transistor, courant le traversant et tension à ses bornes. 22 MOSCA Julien – GE5E 1.3. Utilisation de ce tests dans le cadre du projet Ce principe de test est utilisé dans le projet réalisé. Cependant il est nécessaire de l’étendre et l’améliorer, car le module d’évaluation ne comportera pas uniquement le test du double pulse classique. En effet, de nombreuses autres configurations seront réalisées, et c’est pourquoi le principe de commande doit être étendu afin de répondre à toutes les exigences des différentes configurations. 2. Structures des circuits électriques Cette partie va mettre en évidence les différentes configurations de puissance retenues afin d’effectuer des tests sous de nombreuses conditions. Comme précisé auparavant, ces différentes configurations sont nécessaires afin de pouvoir étoffer le panel de test possible sur un seul et même composant. Dans un second temps, la structure globale des cartes de commande sera décrite, ainsi que les différents choix technologiques retenus. 2.1. Puissance Test du « double pulse » et test avec un bras de pont Cette carte permet de reprendre le protocole utilisé par la plupart des fabricants de composants pour réaliser les documentations constructeurs, le test du double pulse, en n’implantant sur la carte que le transistor T2 ainsi que la diode ici associée au transistor T1 (figure 11). De plus, grâce à celle-ci, des essais avec la configuration en bras de pont peuvent être réalisés, afin de pouvoir observer le comportement d’une telle association, notamment les effets de la commutation d’un transistor sur l’autre. De plus, une fonctionnalité appelée « clamp Miller » pourra également être intégrée ou non sur cette carte, afin d’en étudier les effets. Cette fonctionnalité permet dans la théorie de limiter les effets de certains couplages capacitifs pouvant amener à des commutations non désirées. Elle sera décrite dans la partie dédiée aux essais. La configuration en bras de pont est très intéressante car de nombreux modules de puissance utilisent cette configuration, qu’ils soient à base de transistors MOSFET, ou IGBT. 23 MOSCA Julien – GE5E Driver T1 L CC PWM Driver T2 Figure 11: Schéma de principe de la première carte de puissance Transistors en parallèles Cette carte va permettre de réaliser sensiblement les mêmes essais qu’avec la carte précédente, à la différence que celle-ci associe deux cellules formant un bras, et chacune de ces cellules comporte deux transistors en parallèles, associés à une diode en parallèle également, ainsi qu’une diode en série. L’association de transistors en parallèles peut être intéressante lorsque l’on souhaite commuter des forts courants. Cependant, de nombreux problèmes peuvent apparaître, et c’est pourquoi cette carte a été développée. Elle permettra de mieux comprendre ces problèmes, qui par exemple peuvent perturber la commutation simultanée des transistors, si le routage est mal effectué (si les longueurs des pistes ne sont pas parfaitement symétriques par exemple). Command e + driver Commande + driver Commande + driver Commande + driver CC Figure 12: Schéma de principe de la deuxième carte de puissance 24 MOSCA Julien – GE5E Bras de pont découplé Cette fois ci, la configuration permet d’effectuer des tests en utilisant un bras de pont avec deux cellules de commutation qui sont découplées. Cette configuration est très intéressante car elle va donner le moyen d’observer si le fait de découpler les cellules de commutation permet de réduire les problèmes liés aux différents couplages (notamment les couplages capacitifs) qui peuvent amener à des commutations non désirées. Cette structure sera donc comparée principalement à la structure du bras de pont « classique » décrite plus haut. CC Signal de commande Driver Driver Figure 13: Schéma de principe de la troisième carte de puissance JFET Normally-ON Cette carte est dédiée au test de transistors JFET Normally-ON de technologie SiC. Elle est composée de la partie puissance ainsi que de la partie commande. En effet, un tel transistor nécessite un circuit de commande bien particulier du fait qu’il est fermé à l’état de repos. La fonction de commande rapprochée est réalisée à l’aide d’un circuit intégré spécialisé. C’est pourquoi ce type de transistor fait l’objet de tests grâce à une carte dédiée. Le transistor MOSFET associé au JFET du haut (voir figure 14) permet de supprimer le court-circuit sur le bus de tension continu lorsque les deux transistors sont au repos. 25 MOSCA Julien – GE5E JFET N-ON Driver MOSFET L CC JFET N-ON Driver Figure 14: Schéma de principe de la quatrième carte de puissance 2.2. Commande L’étude effectuée grâce à ce projet porte principalement sur des transistors de puissance, de technologie Si et SiC. Néanmoins, une telle étude inclus non seulement la partie puissance décrite plus haut, mais également une partie commande qui mérite une attention tout aussi importante. C’est pourquoi ce projet va également rendre possible la comparaison de différentes méthodes de commande, afin de pouvoir choisir au mieux l’association commande / puissance. Outre cette association, ces cartes vont permettre d’évaluer ces commandes, qui pourraient par la suite faire l’objet d’une utilisation dans une alimentation à découpage. La figure 15 ci-dessous montre la composition type d’une carte de commande telle qu’elles ont été réalisées. L’alimentation se fait grâce à une alimentation stabilisée de laboratoire et le signal d’entrée est amené à l’aide d’un générateur de signaux basse fréquence (GBF). La figure 16 montre quand à elle une carte de commande assemblée. 26 MOSCA Julien – GE5E Figure 15 : Composition générale des cartes de commande 1 3 4 2 5 6 Figure 16 : Vue d'une carte de commande assemblée 27 MOSCA Julien – GE5E La chaîne de conversion de tension isolée réglable par potentiomètre (en 1 sur les figures 15 et 16 ci-dessous) permet d’ajuster facilement les niveaux de tension de commande des transistors, tout en assurant une isolation entre l’alimentation principale et la commande du transistor. La chaîne d’isolation de signal (6) permet comme son nom l’indique d’assurer l’isolation entre l’arrivée du signal depuis le GFB et le signal transmis à la commande rapprochée. Cette dernière fonction (3) permet de convertir un signal de commande dont les niveaux de tensions sont 0V er +5V, e, un signal de commande ayant des niveaux permettant de commander les transistors à l’ouverture et à la fermeture. Les 3 connecteurs (2, 4 et 5 sur les figures ci-dessous) ont été choisis de façon intelligente afin d’assurer une facilité d’utilisation du module. Ceci est vrai notamment pour le connecteur de sortie vers la carte de puissance, car la possibilité er la facilité de l’interchangeabilité des cartes de commande passe justement par le choix de ce connecteur. Tout comme pour les cartes de puissance, et pour des raisons déjà explicitées, plusieurs cartes de commande ont été conçues, afin de pouvoir élargir au maximum le panel de tests pouvant être effectué. Pour chaque carte, les trois connecteurs sont identiques. La chaîne de conversion de tension est identique pour 4 des 5 types de commande, c’est-à-dire deux convertisseurs de +5V en entrée vers deux sorties +9V et +15V. Ceci dans le but d’obtenir une tension de commande positive maximale de +24V et une tension négative minimale de -24V. Ce type de convertisseur, avec ces sorties +9V et +15V a été utilisé, car bien que n’étant pas les moins chers, ni les plus faciles d’utilisation (deux sorties donc plus de composants et routage plus conséquent), ils étaient les seuls disponibles rapidement chez le fournisseur (Radiospares en l’occurrence). Pour la dernière carte de commande, la solution envisagée doit permettre de commander le transistor avec une tension uniquement positive. C’est pourquoi elle ne comporte qu’un seul convertisseur de tension, pour obtenir une tension positive maximale de +24V. En ce qui concerne la chaîne d’isolation de signal (N°6), deux solutions ont été envisagées. La première est un circuit intégré réalisant la fonction. Il suffit donc de l’alimenter et d’appliquer le signal en entrée, pour le récupérer à la sortie, complètement isolé par rapport à tous les éléments de l’entrée. La deuxième solution, est un émulateur de LED, circuit intégré nécessitant quelques composants supplémentaires par rapport à la première solution. Au sujet des commandes rapprochées, plusieurs solutions ont été envisagées et réalisées également. Pour rappel, cette fonction permet de transformer un signal de commande TTL (0V / +5V), en un signal pouvant commander le transistor, c’est-à-dire dont les niveaux de tensions sont suffisamment élevés (-6V au minimum pour la tension négative / +20V au maximum pour la tension positive). Ces niveaux de tension sont ajustés suivant le type de transistor à commander, grâce à deux potentiomètres associés à des régulateurs de tension. Voici la liste des solutions retenues pour la commande rapprochée : 28 MOSCA Julien – GE5E - La première étant un circuit tout intégré réalisant cette fonction, et possédant une sortie à transistors MOSFET en configuration « totem pole ». La deuxième est également un circuit tout ingéré, mais possédant lui une sortie à transistors bipolaires en configuration « push-pull ». La troisième solution utilise des transistors MOSFETS seuls en composants discrets, en configuration « totem pole ». La dernière solution elle, utilise des transistors bipolaires seuls, en composants discrets également, en configuration « push-pull ». - 2.2.1. Génération du signal de commande Le signal de commande tel qu’il a été décris dans le chapitre 3.1 a du faire l’objet d’une carte dédiée. En effet, ce signal ne pouvant pas être généré à l’aide d’un GBF uniquement, il a fallu associer ce générateur à des circuits logiques permettant de réaliser le signal souhaité. Ces circuits logiques sont des circuits monostables ainsi qu’une porte logique de type OU. Une photographie de cette carte est présente ci-dessous (figure 17).La structure générale de cette carte est décrite sur la figure 18. La figure 19 quant à elle présente les chronogrammes obtenus grâce à cette carte. Figure 17 : Carte de génération de signal 29 MOSCA Julien – GE5E Figure 18 : Principe de fonctionnement de la carte de génération de signal de commande 30 MOSCA Julien – GE5E Figure 19 : Chronogrammes de la carte de génération de signal 31 MOSCA Julien – GE5E Largeurs d’impulsions mesurées Les mesures du tableau ci-dessous ont été effectuées en sortie de carte de commande, afin de déterminer les valeurs minimales et maximales des deux impulsions et du temps mort entre celles-ci. En entrée de la carte de commande, il suffit d’apporter une unique impulsion grâce au GBF, de largeur (t1-t0) quelconque, et d’amplitude comprise entre +3V et +5V. Premier pulse (t2-t0) Temps mort (t3-t2) Deuxième pulse (t4-t3) Largeur minimale [µs] 3 3,1 3,1 Largeur maximale [µs] 130 8,8 8,5 Courants minimums et maximums En ce qui concerne la première impulsion, celle qui permet d’atteindre le courant de test voulu, voici les courants minimums et maximums que l’on peut atteindre, pour différentes valeurs de tension de bus continu. Tension de bus [V] Courant minimum [A] Courant maximum [A] 100 1,3 58,3 200 2,7 116,6 300 4,0 174,9 400 5,4 233,2 500 6,7 291,5 600 8,1 349,8 700 9,4 408,1 800 10,8 466,4 32 MOSCA Julien – GE5E 3. Conception des schémas Les schémas électriques des cartes ont été effectués à l’aide du logiciel Orcad, qui est un logiciel de création de schéma. Ce logiciel est associé à « Allegro » qui lui permet de réaliser le routage. Je n’ai donc pas eu personnellement l’occasion de l’utiliser, mais j’ai pu en avoir un aperçu, étant donné que j’ai assisté la personne effectuant ce routage. La conception des schémas fût une étape assez longue, car de nombreux composants utilisés n’étaient pas référencé dans la base de données de composant de l’entreprise. En effet, cette base de données permet d’utiliser des composants créés au fur et à mesure des besoins des personnes réalisant des schémas. Cependant, la création de composants est une étape faisant intervenir plusieurs personnes de l’entreprise, et chaque composant se voit créer un code article pour son référencement, ainsi que son empreinte pour le routage. Le choix des composants à créer devait donc être bien défini afin de ne pas avoir à en créer d’inutiles, ce qui aurait demandé du temps supplémentaire, pour au final arriver à un résultat qui, ne sera pas utilisé. Malgré cela, de nombreux changements sont intervenu au cours de la création de ces schémas, donc certains composants ont été créés pour ne pas être utilisés. Un exemple de schéma d’une carte de puissance est donné ci-dessous (figure 20) ainsi qu’un exemple de carte de commande (figure 21). Comme précisé dans les parties précédentes de ce rapport, 4 cartes de puissances ainsi que 5 types de cartes de commande ont été réalisées. 9 schémas différents ont donc été conçus. Figure 20 : Exemple d'un schéma d'une carte de puissance avec le logiciel "Orcad" 33 MOSCA Julien – GE5E Figure 21: Exemple d'un schéma d'une carte de commande avec le logiciel "Orcad" 34 MOSCA Julien – GE5E Chapitre 4. Réalisations pratiques 1. Assemblage des cartes L’assemblage de toutes les cartes fut un processus long du fait de leur nombre important. En effet, outre les 4 cartes de puissance, les cartes de commande ont chacune été produites en deux exemplaires. Ceci était nécessaire, dans le but de pouvoir commander deux transistors avec la même configuration de commande (dans le cas de la configuration en bras de pont par exemple). Il y avait donc en tout 14 cartes électroniques à assembler. La figure cidessous montre 3 exemples de cartes vierges, deux cartes de commande sur les côtés, et une carte de puissance au centre. Figure 22: Cartes vierges, prêtes à être assemblées. Au milieu, une carte de puissance et deux cartes de commande sur les côtés. 2. Conception du boîtier Le boîtier à été conçu de la façon la plus simple possible. Deux connecteurs de type bananes permettent le raccordement à la source de tension continue externe (en 1 sur la figure 23). Deux connecteurs à vis pour la connexion de la bobine(en 2). En 3, on retrouve deux connecteurs à vis pour l’alimentation +5V nécessaire à la logique de commande, ainsi qu’un connecteur BNC pour l’arrivée du signal issu du GBF et enfin, un potentiomètre en façade du boîtier qui permet d’ajuster la valeur du courant de test dans le montage. L’alimentation +5V est issue d’une alimentation stabilisée de laboratoire extérieure au système. En 4 on retrouve la carte de génération de signal décrite précédemment, et en 5 les différents connecteurs, ou simplement trous de passage de câble pour les mesures de courant et de tension. 35 MOSCA Julien – GE5E 2 5 1 3 4 Figure 23: Vue du dessus du boiter contenant le module d'évaluation. 36 MOSCA Julien – GE5E Chapitre 5. Essais et mesures 1. Tests préliminaires Une fois les cartes électroniques vierges reçues et assemblées, il s’agissait d’en valider le fonctionnement. C’est pourquoi j’ai tout d’abord effectué une série de tests permettant de m’assurer qu’elles ne présentaient aucun défaut, en utilisant la configuration la plus simple qui a été développée : le test du « double pulse ». La charge est une bobine d’une valeur de 25µH. Ces tests préliminaires ont été effectués sous une tension de bus continu de 100V et un courant lors des commutations d’une dizaine d’ampères. Le transistor utilisé est un transistor MOSFET au Carbure de Silicium avec pour caractéristiques : , et . La résistance de grille en série à quand à elle une valeur de 0Ω, et la tension de commande a été réglée pour obtenir -5V / +23V. La figure ci-dessous montre les résultats obtenus avec en bleu la tension de commande Vgs, en violet la tension aux bornes du transistor Vds, en vert le courant circulant dans la bobine, et en marron le courant circulant dans le transistor. Figure 24 : Oscillogramme obtenus lors des essais de validation de fonctionnement du système avec une configuration en test du "double pulse" 37 MOSCA Julien – GE5E Ces tests ont mis en évidence que de léger problèmes existaient au niveau de certaines cartes de commande. Ces problèmes étant liés à des défauts de soudure principalement, il ne fût pas compliquer d’y remédier. Concernant la partie puissance, aucun problème particulier ne fût remarqué, de même que la carte de génération de signal. Une fois cette phase de validation de fonctionnement terminée j’ai pu passer à la deuxième phase qui sera décrite dans le chapitre suivant : la comparaison des dispositifs de mesure. 2. Comparaison des moyens de mesure Plusieurs dispositifs de mesure étant mis à ma disposition, les cartes furent conçues de façon à ce que chacun de ses dispositifs puissent être testés, et comparés, afin de pouvoir choisir ceux qui offrent la meilleure performance. Les mesures à effectuer étant des mesures de tension et de courant, de valeur élevées (400V et 80A maximum) et sur des temps très courts, de l’ordre de la microseconde voire de la dizaine de nanoseconde, les moyens de mesures se doivent d’être les plus précis et les plus fidèles possible. Cela est nécessaire afin de pouvoir ensuite effectuer des mesures de puissance et d’énergie permettant d’évaluer les pertes par exemple. 2.1 Mesure de tension Tout d’abord, concernant les mesures de tension (tension aux bornes du transistor ou tension de commande), 3 dispositifs ont été comparés. Il s’agit de trois sondes de mesure pour oscilloscope : une sonde passive du fabricant Lecroy (figure 25), et deux types de sondes différentielles (figures 26 et 27), la première distribuée par Probe Master, et la deuxième par Lecroy. Figure 25 : Sonde passive Lecroy Figure 26 : Sonde différentielle "Probe Master" 38 MOSCA Julien – GE5E Figure 27: Sonde différentielle "Lecroy" Sur le relevé de la figure 28 ci-dessous, on peut observer un oscillogramme représentant la mesure de tension entre le drain et la source du transistor à tester, effectuée par ces trois sondes : en bleu la sonde passive, en violet la première sonde différentielle et en marron, la deuxième, correspondant respectivement aux trois sondes représentées plus haut. Figure 28 : Comparaison des sondes de tension - Mesures de Vds Le deuxième oscillogramme (figure 29) n’est rien d’autre qu’un zoom, afin de mieux se rendre compte des ordres de grandeurs des différences observées. 39 MOSCA Julien – GE5E Figure 29 : Comparaison des sondes de tension - Mesures de Vds - ZOOM Ces relevés montrent bien que l’utilisation d’une sonde différentielle pour effectuer une telle mesure de tension, apporte principalement un retard de l’ordre de la dizaine ou de la vingtaine de nanoseconde, comparé à une sonde passive, qui peut être considérée comme une référence du fait qu’elle n’effectue quasiment aucun traitement de signal comparé à une sonde différentielle. Outre ce retard, ces sondes différentielles mesurent un signal quelque peut erroné notamment concernant l’amplitude du signal. Ce phénomène peut être observé sur le troisième oscillogramme ci-dessous (figure 30) qui lui représente les mesures de la tension de commande du transistor (tension entre grille et source). Figure 30 : Comparaison des sondes de tension - Mesures de Vgs 40 MOSCA Julien – GE5E Cependant, malgré ces observations il ne faut pas oublier que ces sondes sont très performantes, et que les erreurs peuvent être dans certains cas acceptées. Cette manipulation a permis de se rendre de compte des erreurs apportées par ces sondes, et permet de les prendre en compte lors de l’interprétation des résultats obtenus. Mais dans un souci de précision de mesure, on utilisera donc au maximum (c’est-à-dire quand la mesure peut être référencée à la masse du système) la sonde passive. L’utilisation des sondes différentielle sera réservée lorsque l’on veut par exemple mesurer la tension aux bornes du transistor qui n’est pas référencé à la masse. 2.2. Mesure de courant Pour la mesure de courant, je disposais de cinq moyens de mesure : Un shunt coaxial, qui est le dispositif pouvant être considéré le plus précis, et qui est donc utilisé comme référence pour la comparaison (figure 31). Ce shunt est une simple résistance parcourue par le courant que l’on veut mesurer. La tension aux bornes de cette résistance est récupérée et donne ainsi une image du courant. Un connecteur coaxial placé sur ce shunt permet de se connecter directement à l’oscilloscope, pour avoir l’image du courant. Figure 31 : Shunt coaxial Deux sondes de mesure de la marque « Pearson » qui sont des sondes passives à isolation galvanique, possédant une très grande bande passante (plusieurs centaines de MHz) et permettant de mesurer des courants élevés de plusieurs centaines d’ampères. 41 MOSCA Julien – GE5E Figure 32 : Sondes "Pearson" La première (figure 32, à gauche) est associée au transformateur de courant que l’on peut voir sur la figure 33. Ce transformateur de courant est nécessaire car la sonde délivre une tension de sortie de 1 Volt par ampère. Voulant mesurer des courants de 80A, il est s’est avéré préférable de réduire le courant mesuré grâce à ce transformateur de courant, afin de protéger l’oscilloscope. Figure 33: Transformateur de courant Le deuxième modèle (à droite sur la figure 32) délivrant une tension de 0.1 Volt par ampère, ne nécessite pas l’utilisation d’un tel transformateur, mais dans mon cas, celui-ci étant en place est difficilement démontable, il est utilisé et 10 tours ont été effectués sur la sonde afin d’annuler les effets du transformateur. Ceci dans le but de pouvoir utiliser les deux sondes en même temps, et ainsi pouvoir comparer leurs performances respectives. 42 MOSCA Julien – GE5E Une représentation schématique de la chaîne de mesure de courant grâce à ces deux dispositifs est donnée ci-dessous : Figure 34: Représentation du principe de mesure de courant avec les deux sondes Pearson Une sonde dite « Tore de Rogowski » qui est une sonde utilisant le principe de l’effet hall, et étant adaptable directement sur oscilloscope (figure 35). Figure 35 : Tore de Rogowski Une pince ampère-métrique adaptable directement sur l’oscilloscope, du fabricant Lecroy (figure 36). 43 MOSCA Julien – GE5E Figure 36 : Pince ampère-métrique Les relevés des figures 37, 38 et 39 montrent les différences que l’on peut observer entre ces sondes de courant. Ayant constaté dès les premiers essais qu’il s’agissait des sondes de type « Pearson » qui étaient les plus performantes après le shunt coaxial, les trois oscillogrammes cidessous représentent les comparaisons entre ces deux dispositifs et le shunt coaxial (figure 37), entre le shunt la sonde Pearson (modèle de droite) et la pince ampère-métrique pour le deuxième (figure 38) et le tore de Rogowski pour le troisième (figure 39). Sur chaque oscillogramme la partie du haut représente les courants traversant le transistor et la tension aux bornes de celui-ci et la partie du bas représente la puissance instantanée, lors du blocage du transistor. Figure 37: Comparaison des sondes de courant - Shunt coaxial et les deux sondes Pearson. 44 MOSCA Julien – GE5E Figure 38 : Comparaison des sondes de courant – Pince ampère métrique, shunt coaxial et sonde Pearson (modèle de droite sur la figure 32). Figure 39: Comparaison des sondes de courant – shunt coaxial, sonde Pearson (modèle de droite sur la figure 32) et tore de Rogowski. 45 MOSCA Julien – GE5E On remarque que comme pour les mesures de tension, un retard de l’ordre de la nanoseconde ou de la dizaine de nanoseconde apparait entre les divers moyens de mesure et le shunt coaxial qui sert de référence. Ce retard peut être corrigé de façon numérique grâce à l’oscilloscope, mais dans un souci de simplicité, il est préférable d’utiliser le dispositif de mesure le plus précis. La deuxième sonde « Pearson » (celle de droite sur la figure 32) présente de très bonnes performances et c’est pourquoi c’est elle qui sera choisie lors de tests pour effectuer la mesure de courant. Le shunt coaxial ne sera pas utilisé car bien qu’étant le moyen de mesure le plus performant, il est limité en énergie, donc en courant maximal mesurable, et ne peut donc pas être utilisé pour les mesures souhaitées. 3. Etude de l’influence de différents paramètres 3.1. Effet de l’éloignement des cartes de commande Lors de la réalisation des schémas électriques ainsi que du routage des cartes de puissance, comme on peut le voir sur la figure 20, plusieurs connecteurs ont été utilisés en ce qui concerne la liaison avec les cartes de commande. Ces connecteurs ont été placés à différentes distances des transistors, afin de pouvoir observer les effets que pouvaient avoir l’éloignement de l’électronique de commande par rapport aux grilles des transistors. En effet, lors de la conception de telles configurations en électronique de puissance, il est d’usage de dire qu’il faut toujours placer la commande d’un transistor, au plus proche de sa grille. Cependant, il a été jugé utile de pouvoir observer quels sont les phénomènes présents lors de l’éloignement de cette commande. Grâces aux essais effectués avec ce module, ces phénomènes ont pu être observés, mais également quantifiés. Les trois oscillogrammes ci-dessous, représentent la tension aux bornes du transistor (en vert), ainsi que le courant le traversant (en rouge), pour différents placements de la commande par rapport au transistor. Les courbes les plus foncées représentent sur chaque oscillogramme, les caractéristiques au blocage, lorsque la commande est placée au plus proche du transistor, et les courbes les plus claires, lorsque la commande est éloignée. 46 MOSCA Julien – GE5E Le premier, figure 40 permet d’observer les effets d’un éloignement de 5cm de la commande par rapport à la grille du transistor. Et comme on peut le voir, contrairement aux règles générales énoncées quand à l’implémentation de la commande d’un transistor, les courbes se superposent, ce qui montre qu’aucun effet néfaste n’est à déplorer. Figure 40: En foncé, courbes pour une commande proche du transistor et en clair, courbes pour une commande éloignée de 5cm. 47 MOSCA Julien – GE5E Le deuxième oscillogramme (figure 41 ci-dessous) montre l’effet d’un éloignement de 10cm, réalisé avec des fils torsadés. On constate cette fois ci que la présence des fils, bien que torsadés, apportent une modification de comportement au niveau de la tension aux bornes du transistor. En effet, on remarque que l’amplitude des oscillations de la tension au blocage est plus importante, de l’ordre de quelques volts, à quelques dizaines de volts. Cette augmentation de l’amplitude des surtensions induit une augmentation des pertes, ce qui est bien sûr à proscrire le plus possible lors de la réalisation d’une alimentation à découpage. Figure 41: En foncé, courbes pour une commande proche du transistor et en clair, courbes pour une commande éloignée de 10cm, avec des fils torsadés. 48 MOSCA Julien – GE5E Le troisième oscillogramme (figure 42 ci-dessous) montre l’effet d’un éloignement de 10cm, réalisé avec des fils non torsadés cette fois ci. On remarque dans ce cas un nombre d’oscillation beaucoup plus important. Leur amplitude est également plus importante que dans le cas où la commande est proche du transistor. Cette différence se quantifie ici en dizaines de volts. L’effet antenne provoqué par la longueur des fils utilisés, augmente donc significativement les pertes et détériore le comportement du transistor au blocage. Figure 42: En foncé, courbes pour une commande proche du transistor et en clair, courbes pour une commande éloignée de 10cm, avec des fils non torsadés. Ces essais ont mis en évidence que malgré un éloignement significatif des la commande d’un transistor par rapport à sa grille, bien que les performances en commutation (ici au blocage notamment) se voient détériorées, celles-ci peuvent être quantifiées et observées. Cette quantification peut être utile lors de la création d’un module de puissance, car elle va permettre de savoir si oui ou non, des degrés de libertés sont disponibles au niveau du placement de la commande des transistors. 49 MOSCA Julien – GE5E 3.3 Insertion du dispositif « Miller Clamp » Dans ce projet, un dispositif nommé « Miller Clamp » a été implémenté. Ce dispositif permet de limiter les effets de la capacité de Miller. En effet, lors de la commutation du transistor T1 (figure 43 ci-dessous), une forte impulsion de tension apparaît aux bornes de T2 ( important), et peut entraîner un réarmement non désiré de celui-ci. Ce réarmement s’explique du fait de la présence de la capacité de Miller, appelé Cdg dans notre cas. Cette capacité intrinsèque au transistor et non supprimable, voit alors une tension à ses bornes, ce qui implique qu’un courant de valeur la traverse. Ce courant provoque alors une tension au niveau de la grille du transistor de valeur . Si cette tension dépasse la tension de seuil de déclenchement du transistor, cela provoque un réarmement de celui-ci et donc court-circuit de l’alimentation. Cgd1 Driver T1 L Signal de commande SW CC Cgd2 Driver Rg + Rdriver T2 I Figure 43: Illustration du phénomène lié à la capacité de Miller La solution implémentée consiste comme on peut le voir sur la figure 44 ci-dessous à utiliser un transistor PNP, afin de court-circuiter en quelque sorte la résistance de grille, et dévier le courant provoqué par la capacité Miller. Ainsi, moins de courant traverse la résistance de grille du transistor et la résistance interne du driver, et la surtension au niveau de la grille est réduite. 50 MOSCA Julien – GE5E Cgd1 Driver T1 L Signal de commande SW CC Cgd2 Rg + Rdriver Driver T2 I Figure 44: Principe du "Miller Clamp" Cette solution, bien qu’implémentée, n’a pas pu être testée dans les conditions qui viennent d’être décrite. En effet, les seules mesure effectuée l’on été sur une configuration à un seul transistor. Et dans ce cas, ce dispositif ne présente pas d’avantages majeurs ayants faits l’objet d’une observation intéressante. 3.4 Essais en température En plaçant une résistance de 10Ω, d’une puissance de 50W, sur le boîtier du transistor, des essais à température plus élevées que la température ambiante ont pu être réalisés. Lors de l’utilisation d’un transistor à fréquence élevé, son échauffement dû aux pertes doit être maîtrisé. Il s’agit ici de pouvoir observer et quantifier les variations de comportement (et notamment des pertes), lorsque la température augmente. Ces essais ont ici été effectués sous une tension de 390V et un courant de 40A. Les deux oscillogrammes ci-dessous montrent la comparaison des pertes lors du blocage (pour le premier) et pour la mise en conduction (pour le deuxième). La courbe de perte en bleu clair correspond à un essai sous une température de 150°C, tandis ce que la courbe la plus foncée correspond à une température de 30°C. Ces essais à température variable montrent que l’énergie échangée lors des commutations est plus importante lorsque la température augmente. Et ceci dans des 51 MOSCA Julien – GE5E proportions non négligeables, d’un rapport 1/3 environ pour le blocage, et 1/10 pour la mise en conduction. Figure 45: Comparaison d'un essai à 30°C et d'un essai à 150°C - Blocage Figure 46: Comparaison d'un essai à 30°C et d'un essai à 150°C - Mise en conduction 52 MOSCA Julien – GE5E 4. Campagne de mesure Après avoir effectué les différents essais décris dans les parties précédentes, j’ai pu me consacrer à la réalisation d’une campagne de mesure ayant pour but d’observer les différences de performances de quatre transistors choisis préalablement par mon tuteur et moi-même. Dans ces quatre transistors, je disposais de deux IGBT et deux MOSFET. Un tableau récapitulatif des caractéristiques des différents transistors utilisé est présent ci-dessous : Type de N° transistor Technologie 1 MOSFET 2 3 Vce "sat" [V] Fabricant Vce [V] Silicium (Si) Infineon 700 / 75 / 19 / Carbure de Silicium (SiC) CREE 1200 / 90 / 25 / Silicium (Si) Infineon / 650 / 80 / 1,65 Silicium (Si) ST Microelectronics / 1200 / 60 / < 2,75 IGBT 4 Ids Ice Rds "on" continu à continu à [mΩ] 25°C [A] 25°C [A] Vds [V] L’objectif de cette campagne de mesure était de pouvoir comparer les performances de chaque transistor, dans des conditions de test identiques. Bien entendu, il s’agissait dans un premier temps de comparer les deux MOSFET entre eux, et les deux IGBT entre eux. De très nombreux essais ont été réalisés, un tableau récapitulatif des différents paramètres de ceux-ci est présenté ci-dessous. A noter que toutes les combinaisons possibles présentes dans ce tableau ont été testées, et que seulement une configuration de puissance et une configuration de commande ont été utilisées. Transistor seul - Configuration du test du double pulse classique - Commande rapprochée intégrée à MOSFET Tension de bus continu [V] 200 / 250 / 350 / 390 Courant dans le transistor [A] 5 / 10 / 20 / 40 / 80 Tension de commande positive [V] 12 / 15 / 20 suivant le transistor Tension de commande négative [V] 0 / -3 / -6 Résistance de grille [Ω] 0 / 4,7 / 10 / 22 53 MOSCA Julien – GE5E Le tableau ci-dessous met en évidence de façon qualitative les différences de performances entre les transistors, pour des caractéristiques qui ont été jugées intéressantes à observer. Il s’agit Deux résultats marquants ont été notés à l’issu des tests. Il s’agit dans un premier temps de la différence entre les pertes en commutations entre les deux MOSFET, comme entre les deux IGBT. Le MOSFET CREE et l’IGBT Infineon ont présentés de meilleures performances, donc moins de pertes en commutation par rapport à leurs homologues d’une autre marque. Bien évidemment, ils présentent tous deux néanmoins quelques inconvénients, comme la présence de surtension plus importante au blocage. Le choix d’utiliser un transistor plutôt qu’un autre dépendra donc des performances que l’on doit atteindre pour l’application. Dans la majorité des cas, on préfèrera limiter les pertes par commutation, afin d’augmenter le rendement global du système et limiter l’échauffement des composants. Ce choix a également un impact important quant au système de refroidissement des transistors. Plus les pertes sont importantes, plus le refroidissement devra être conséquent. Le deuxième résultat marquant, qui explique la différence entre les pertes au blocage des IGBT, provient du courant de queue, qui est beaucoup plus important pour le transistor du fabricant ST Microelectronics. Ce courant de queue provient de la structure interne de l’IGBT, et il est très difficile de s’en affranchir. C’est pourquoi la solution du fabricant Infineon présente un avantage très intéressant lors de la conception de modules de puissance. Les deux oscillogrammes ci-dessous représentent les commutations des deux IGBT, avec la solution de ST Microelectronics pour le premier, et celle d’Infineon pour le deuxième. 54 MOSCA Julien – GE5E Figure 47: Mise en évidence du courant de queue sur la solution ST Microelectronics Figure 48: Mise en évidence de l'absence de courant de courant de queue pour la solution Infineon 55 MOSCA Julien – GE5E Conclusion Ainsi, ce projet de fin d’études a été l’occasion pour moi de compléter et d’élargir mes connaissances dans le domaine de l’électronique de puissance, et notamment en ce qui concerne la commutation des transistors MOSFET et IGBT. J’ai pu mettre en pratique mes connaissances théoriques acquises durant ma formation à l’INSA, et en acquérir bien d’autres. Le savoir faire et les compétences techniques qui m’ont été transmises sont des atouts pour mon futur métier d’ingénieur. De plus, je me suis confronté aux difficultés réelles du monde de l’entreprise. Et de nombreuses notions telles que l’aspect communication, ou encore la gestion de projet dans un milieu industriel ont pu être découvertes, de façon autre que théorique. Concernant le projet en lui-même, celui-ci a été mené à bien, et l’objectif principal a été atteint. En effet, un module fonctionnel d’évaluation de transistors a été réalisé avec de nombreuses possibilités de configurations de tests. Les problématiques de mesures de courant et de tensions ont pu être abordées, afin de définir les moyens de mesure les plus efficaces. De plus, de nombreux essais ont pu être réalisés afin de pouvoir comparer les performances d’un échantillon de transistors. La mise en œuvre de ce système a pu rendre ce projet des plus instructifs au niveau technique. Ce module est désormais à disposition de l’ingénieur R&D en électronique de puissance qui pourra l’utiliser lorsqu’il le souhaitera. Il lui sera très utile dans un cadre de pré-projet, lorsqu’il devra effectuer certains choix de composants pour la réalisation d’un module de puissance personnalisé. Ce projet de fin d’études m’a permis de mettre l’accent sur différents aspects du métier d’ingénieur. Il a été l’occasion de se plonger dans la vie d’une entreprise pendant une période de 6 mois. Cette durée est idéale afin de pouvoir assimiler le fonctionnement de celle-ci, et pouvoir ainsi comprendre quels sont les acteurs de la vie industrielle, et quels sont leurs rôles. Cette expérience enrichissante à tous niveaux m’a donc offert une bonne préparation à mon insertion professionnelle. 56
