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Résumé de projet de fin d’études
Conception et réalisation d’un module d’évaluation de transistors
de puissance
PFE présenté par :
Julien Mosca
Spécialité :
GE - Energie
Société d’accueil :
Bruker Biospin
Maître de stage :
Joseph ILIEV
Tuteur INSA :
Jean-Michel HUBE
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.
PFE
2014
CONCEPTION ET REALISATION D’UN MODULE D’EVALUATION DE TRANSISTORS DE PUISSANCE
Figure 1 : Exemple de produit commercialisé par Bruker
Contexte général
P
résent 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. Les systèmes
Bruker couvrent un large éventail
d’applications comme par exemple la
résonnance magnétique nucléaire
(RMN) permettant entre autre la
réalisation d’imagerie par résonnance
magnétique (IRM) en une, deux ou 3
dimensions,
dans
un
domaine
préclinique.
Ces systèmes sont composés
de plusieurs éléments mais mon projet
concerne l’un d’eux en particulier : les
alimentations électriques.
Ces alimentations tendent de
plus en plus vers des convertisseurs à
découpage, afin de pouvoir atteindre
des caractéristiques de puissance, de
performances
et
de
précision
optimales, tout en garantissant un coût
et une taille de produit raisonnable.
Cependant, l’exigence de ces besoins
en performance, ainsi que les progrès
effectués continuellement dans le
PFE 2014
domaine
des
semi-conducteurs
amènent à reconsidérer de façon
régulière le choix des composants ou
des structures utilisées.
C’est pour répondre à une partie
de ces besoins que mon projet a vu le
jour, initié par l’ingénieur en Recherche
et Développement en électronique de
puissance de la division Bruker
Biospin.
Ce projet a pour but de
concevoir un module d’évaluation de
transistors ainsi que de diodes de
puissance. Ce module devra permettre
d’observer les caractéristiques en
découpage des semi-conducteurs mis
à
dispositions.
Ceux-ci
sont
principalement
des
transistors
MOSFET et IGBT, ainsi que des
diodes rapides, le tout en Silicium ou
Carbure de Silicium, qui est une
technologie émergente. Les domaines
de tensions et courants de ces
composants
sont
compris
respectivement entre 650V à 1200V et
entre 80A et 100A par puce.
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PFE
2014
CONCEPTION ET REALISATION D’UN MODULE D’EVALUATION DE TRANSISTORS DE PUISSANCE
influences que peuvent avoir les
composants les uns sur les autres par
exemple.
C’est
pourquoi
des
configurations de puissance en « bras
de pont » et en « bras de pont
découplé », ou avec des transistors en
parallèles ont notamment
été
développées, dans le but d’étendre au
maximum les possibilités d’évaluation.
D
Id
CC
C
L
IL
Vds
Vgs
Figure 2 : Schéma simplifié d'un
convertisseur permettant d'effectuer le test
du "double pulse"
Etude et réalisation
L
es exigences pour la conception
de ce module étaient, au départ,
très nombreuses. Cependant, le
cahier des charges a évolué de façon
non négligeable au cours du projet.
Il en est ressortit que la
procédure de tests sera basée sur la
procédure utilisée par les fabricants de
composants
pour
réaliser
les
documentations techniques. Il s’agit du
test appelé communément « test du
double pulse ». Celui-ci s’appuie sur
un
convertisseur
élévateur.
Le
composant à évaluer est le transistor,
c’est pourquoi une première phase
vise à le commander à la fermeture
afin de faire croitre le courant dans le
montage, et la deuxième phase
consiste à l’ouvrir et le fermer de façon
très rapide afin que ce blocage et cette
mise en conduction se fassent à un
courant identique.
Grâce à cela, et à des moyens
de mesure adaptés, il est possible
d’observer
et
d’analyser
les
caractéristiques en commutation des
semi-conducteurs. Cependant, il a été
jugé nécessaire de pouvoir évaluer les
composants
dans
d’autres
configurations que celle-ci, afin de
pouvoir comparer les effets et les
PFE 2014
En outre, il a également été jugé
nécessaire de pouvoir réaliser des
comparaisons
sur
différentes
méthodes de commande. Dans la
mesure où le comportement d’un
transistor est également dicté par
celle-ci, il paraissait évident d’inclure
différentes cartes permettant d’évaluer
et de comparer des solutions de
commande. Ces cartes ont été
réalisées suivant la même structure :
un étage de conversion, d’isolation et
d’adaptation de tension d’alimentation,
un étage d’isolation de signal, et un
étage de commande rapprochée. Tout
ceci a dû être réalisé en essayant de
ne pas compliquer l’intégration, ni
l’interchangeabilité de toutes les
configurations.
Cette interchangeabilité et la
facilité de réalisation de la procédure
de test était également un vrai
challenge dans ce projet. Etant donné
que ce module vise à évaluer un grand
nombre de composant, dans des
configurations de puissances, de
commande, de tension, de courant, ou
même de température très variées, la
facilité de mise en œuvre de chacune
de ces configuration est importante, de
façon à limiter les complications et le
temps d’évaluation d’un composant.
Au final, 4 cartes de puissance
avec des configurations différentes,
ainsi que 5 types de commande ont
été conçues et réalisées, offrant un
panel de test conséquent, pour un seul
et même composant.
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PFE
2014
CONCEPTION ET REALISATION D’UN MODULE D’EVALUATION DE TRANSISTORS DE PUISSANCE
Figure 3 : Comparaison de 3 méthodes de
mesure de tension. Une sonde passive et
deux sondes différentielles.
Figure 4 : Blocage et mise en conduction
d'un IGBT (Silicium), sous 390V - 80 A.
Mesures
D
ans ce projet, les signaux à
mesurer étant des signaux de
valeurs élevées, jusqu’à 400V
pour le bus continu et 80A par
transistor,
et
les
durées
de
commutation étant faibles, quelques
nanosecondes
ou
dizaines
de
nanoseconde, les moyens de mesure
utilisés doivent être choisis avec soin.
En effet, des études de performances,
donc de pertes par exemple,
demandent une grande précision de
mesure, afin de ne pas fausser les
résultats. Néanmoins, si les précisions
des appareils ne sont pas optimales, il
est nécessaire de savoir à quel point,
et de pouvoir quantifier l’erreur de
mesure, pour la prendre en compte
dans les résultats. C’est pourquoi une
campagne de comparaison des
moyens de mesure mis à ma
disposition était nécessaire, afin de
pouvoir choisir celui combine à la fois
précision et fidélité, mais également
facilité de mise en œuvre dans le
système.
Un « shunt » coaxial pour la
mesure de courant, et une sonde
d’oscilloscope de type passive pour la
tension, considérés tous deux comme
étant des références de mesure ont
permis d’effectuer ces comparaisons.
PFE 2014
Les résultats ont permis de choisir des
appareils de mesure adaptés, et dont
l’erreur est maîtrisée.
Essais
D
e nombreux tests ont pu être
effectués après réalisation des
cartes. Ils n’ont été réalisés que
sur une configuration de puissance,
car comme dit précédemment, une
seule configuration amène à de
nombreux tests.
Des essais ont permis de
montrer l’influence des différentes
méthodes de commande. D’autres se
sont concentrés sur les effets de
l’éloignement de ces commandes par
rapport aux transistors. Des dispositifs
tels que le « Miller Clamp » ont
également pu être ajoutés au système
afin d’étudier ses éventuels bénéfices.
Des
essais
sous
différentes
températures (30°, 80°, 150°), ont
montrés l’influence de celle-ci sur le
comportement en commutation des
transistors.
Bien entendu de très nombreux
essais peuvent être encore réalisés, et
c’est tout l’intérêt de ce module. Ceuxci seront exécutés au gré des besoins
ponctuels lors des développements
d’alimentations
à
découpage.
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