Caractérisation électrique en commutation de diodes haute tension

Validation du modèle de diode
Chapitre 4
Validation du modèle de diode
Les paramètres de la diode extraits à partir des circuits DMTVCA et OCVD doivent être
validés dans un circuit de type hacheur, afin de se rapprocher des conditions de
fonctionnement réel du composant.
Nous comparons les formes d’ondes mesurées et simulées de la diode au blocage dans la
cellule de commutation, pour valider la méthode d’extraction et le modèle complet de la
diode.
4.1 La cellule de commutation inductive
Dans le circuit hacheur de la figure 4.1, le courant qui traverse la diode juste avant
l’ouverture, est fixé par l’inductance L. Le courant dans cette inductance va dépendre du
rapport cyclique, de la tension VE et de la résistance R. Nous ne pouvons donc pas
choisir indépendamment le courant direct qui traverse la diode à l’état passant et la
tension inverse appliquée à la diode à l’état bloqué.
LD M L
VE C
D R VS
Figure 4.1 : Hacheur dévolteur.
Le Professeur H.Foch [FOCH-89] a montré que tous les convertisseurs statiques peuvent
être représentés, durant la phase de commutation, par une cellule de commutation
(Figure 4.2). La commutation dans ces convertisseurs, correspond au changement d’état
de deux interrupteurs. Les travaux de thèse de K.Ammous [AMMO-00] ont permis de
démontrer l’exactitude de cette affirmation dans le cas des convertisseurs DC-DC. Les
formes d’ondes à l’ouverture et à la fermeture de la diode sont rigoureusement
identiques dans les circuits des figures 4.1 et 4.2 si IF désigne le courant dans
l’inductance L avant la commutation et VR=VE.
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LD
D
VR M
IF
Figure 4.2 : Cellule de commutation MOSFET-diode.
La modélisation fine des semiconducteurs et de la connectique rend illusoire de vouloir
simuler la globalité du fonctionnement d’un convertisseur avec la même finesse que
celle exigée durant les commutations. Il est donc nécessaire de ne faire intervenir ces
modèles qu’à l’échelle de temps d’une commutation. Ainsi l’utilisation de la cellule de
commutation permet de ne modéliser que la connectique « active » durant cette étape de
simulation « fine », et de ne pas surcharger le simulateur avec des composants inutiles.
L’intérêt supplémentaire d’utiliser la cellule de commutation pour l’étude de la diode en
commutation, est de pouvoir fixer le courant à travers la diode à l’état passant IF,
indépendamment de la tension à l’état bloqué VR. Ceci n’est pas possible dans le cas
d’un circuit hacheur (Figure 4.1) pour un faible rapport cyclique car le mode de
fonctionnement devient discontinu, et donc le courant dans l’inductance passe par zéro.
Nous avons choisi le circuit de la figure 4.3 qui utilise deux sources ce qui permet de
fixer indépendamment IF et VR.
LD D L
C
VR R M IGBT IF
Figure 4.3 : Cellule de commutation inductive MOSFET-diode. Circuit expérimental.
Le circuit de caractérisation des diodes de puissance en commutation (Figure 4.3) est
très proche d’une cellule de commutation. L’interrupteur IGBT conduit la majorité du
temps, ce qui permet de limiter l’autoéchauffement de la diode et du MOSFET, et ainsi
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ne pas modifier leurs caractéristiques. Le fonctionnement du montage est décrit par les
chronogrammes de la figure 4.4.
Vcommande
IGBT
15V
t
Vcommande 40µs
MOS
15V
t
IDIODE 76µs
IF
t
τ D = 15µs TS = 30ms
Figure 4.4 : Chronogrammes de fonctionnement de la cellule de commutation inductive.
Par ailleurs il est nécessaire d’ajouter une inductance en série avec la source de courant.
Cette inductance de lissage a pour effet de stabiliser le courant délivré par la source
[LIN-94].
Pour stabiliser la tension nous avons ajouté dans le circuit expérimental une capacité
polypropylène et une capacité céramique en parallèle au générateur de tension. Le
condensateur céramique de grande bande passante est utilisé pour maintenir la tension
suffisamment constante pendant la commutation. De plus c’est lui qui fournit le courant
pendant ces mêmes phases de fonctionnement. Le condensateur polypropylène possède
une valeur plus importante à plus basse fréquence, ce qui permet de stabiliser la tension
pendant la courte durée de conduction de la diode.
La source de tension n’est pas réversible, c’est pourquoi une résistance a été ajoutée en
parallèle au générateur de tension. Cette résistance dissipe l’énergie renvoyée dans la
source lorsque la diode est à l’état passant, ce qui permet la bonne régulation de la
source de tension.
La valeur de cette résistance est déterminée de la façon suivante. Le rapport cyclique
est :
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D
S
T
τ
δ = (4.1)
Avec τ D = 15µs et TS = 30ms.
La source subit un courant moyen de F
I
δ
. Il faut donc une résistance R avec un courant
IR supérieur à F
I
δ
, pour empêcher qu’un courant négatif moyen circule dans la source
de tension VR. Soit RF
V
I
R
δ
>, c'est-à-dire :
R
F
V
R
I
δ
< (4.2)
Avec notre valeur de rapport cyclique 6
500 10 δ
−
=×, IF = 10A et VR = 300V, la
résistance doit être inférieure à 60kΩ.
Cette résistance doit aussi être dimensionnée en terme de puissance, et être capable de
supporter la tension VR. Sa puissance admissible ne doit pas être dépassée pour ne pas
modifier la valeur de la résistance.
Un système de commande spécifique pour les deux transistors MOSFET et IGBT a été
conçu. Il est constitué d’un générateur d’impulsions à sortie optique, relié par fibres
optiques aux circuits de commande rapprochée (Figure 4.5). Ce système permet de
réduire considérablement les perturbations des signaux de commande, ainsi que leur
décalage temporel. Les modules de commandes sont isolés grâce à un convertisseur DC-
DC intégré.
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+Vcc
CI inverseur
Générateur
d’impulsions (ASIC) Interrupteur
Fibre commandés
optique
masse
Figure 4.5 : Circuit de commande rapprochée.
Le transistor MOSFET (IRF740) est utilisé pour provoquer les commutations de la
diode. Ainsi il est impératif qu’il soit bien plus rapide que la diode, afin de ne pas
masquer les commutations de celle-ci.
Les formes d’onde du courant et de tension d’une diode en commutation dans la cellule
inductive sont représentées à la figure 4.6. Elles montrent les surtensions obtenues au
blocage de la diode de puissance ainsi que le phénomène de recouvrement inverse sur le
courant lors du blocage.
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