S E M I - C O N D U C T E U R S D E 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. 12 Revue ABB 3/1997 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 Harold M. Stillman ABB Corporate Technology P U I S S A N C E 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 S E M I - C O N D U C T E U R S D E P U I S S A N C E 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 Revue ABB 3/1997 13 S E M I - C O N D U C T E U R S 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- D E P 2 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 10 8 VA 3 U I S S A N C E 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 10 7 IGBT P 10 6 1985 14 Revue ABB 3/1997 1990 1995 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- S E M I - C O N 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- D U C T E U R S D E P U I S S A N C E n+ p n+ p n + n– p p n– ⇒ n p+ n+ n+ p+ n + p + n + p + a p n n 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. Revue ABB 3/1997 15 S E M I - C O N D U C T E U R S D E P U I S S A N C E 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 16 Revue ABB 5 3/1997 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 S E M I - C O N D U C T E U R S D E a P U I S S A N C E b 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 [1] Grüning H. et al.: High Power hard driven GTO module for 4.5 kV / 3 kA snubberless operation. PCIM Conference 21–23 mai 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] Revue ABB 3/1997 17