L`électronique à pleine

Transmission and Distribution
L’électronique à pleine
PUISSANCE
Les semi-conducteurs de puissance pour les
applications de transport et de distribution d’énergie
électrique
Christer Ovrén, Heinz Lendenmann, Stefan Linder, Bo Bijlenga
L’électronique de puissance remplace de plus en plus les systèmes électromagnétiques traditionnels
dans les réseaux de transport et de distribution (T&D). En effet, les exploitants de réseau sont de
plus en plus conscients de la nécessité d’améliorer le rendement et d’accroître le niveau de fonctionnalités des infrastructures existantes. Dans ce contexte, elle simplifie le couplage des petits moyens
de production décentralisée et des sources d’énergies renouvelables aux consommateurs et au
réseau électrique. Par ailleurs, les nouvelles technologies à base d’électronique de puissance permettent de réduire de manière considérable la taille des infrastructures d’énergie électrique, avec
des avantages réels en termes, d’une part, d’impact visuel et environnemental et, d’autre part,
d’utilisation de l’espace et des ressources disponibles.
L
e secteur du transport et de la distribu-
matériaux, comme le carbure de silicium, don-
Technologies de l’information et
tion d’électricité est actuellement dans
nent des résultats encourageants avec des poten-
microélectronique: nouvelles
une phase de transition avec des conséquences
tialités qui vont bien au-delà des limites du ma-
forces motrices du génie électrique
très importantes à la fois pour les fournisseurs et
tériau phare de ces dernières années, le silicium.
Avec un taux de croissance qui reste exception-
pour les consommateurs. Avec l’arrivée à un
rythme accéléré de nouveaux dispositifs à semi-
1 Gauche: Transistor MOS – «cheville ouvrière» de la microélectronique. Droite: Vue en
conducteurs de puissance, le marché profite,
coupe d’une tranche de silicium, montrant les éléments de base du dispositif MOS
pour une large part, des importants investissements et des très nombreux programmes de
‘-’Terminal
Gate
‘+’Terminal
développement à la fois dans les technologies de
l’information et dans le domaine de la microélectronique.
Ces nouvelles générations de semi-conducteurs de puissance offrent des performances
supérieures, une fiabilité accrue et une excel-
Insulator
lente aptitude à la commande. Par ailleurs, d’importants travaux de recherche sur de nouveaux
38
Silicon wafer
Gate-controlled
electron current
0.25 µm
Revue ABB 3/2000
nel, l’industrie des technologies de l’information
tifs, tous les éléments de base de la fonction
Traitement des fortes puissances
est un des secteurs dominants de l’économie
transistor étant fabriqués selon le procédé pla-
– l’approche traditionnelle
mondiale actuelle. Un des facteurs caractéris-
nar en utilisant des techniques de photolitho-
Traditionnellement, la conversion électronique
tiques du secteur, et un de ceux qui expliquent
graphie comparables à celles utilisées dans
de l’énergie électrique de forte puissance faisait
sa croissance phénoménale, est le niveau
l’industrie de l’imprimerie. Des investissements
appel à des convertisseurs à commutation
extrêmement élevé des investissements en R&D.
massifs en R&D aux cours des dernières décen-
naturelle, des thyristors étant utilisés pour
Les développements spectaculaires que ces
nies ont permis de réduire en permanence la
commander la circulation du courant. Le thyris-
derniers ont permis dans le génie logiciel et la
taille des composants des circuits électroniques
tor s’apparente à une «vanne de courant binaire»
microélectronique expliquent également l’essor
(conformément à la loi de Moore 2 , qui sti-
avec deux états discrets, un état de conduction
des applications «connexes», comme par exemple
pule que le nombre de transistors qui peut être
et un état de blocage du courant. L’amorçage
le génie électrique.
intégré sur une pastille de semi-conducteur
se fait par injection d’un courant de gâchette,
Le transistor MOS (Metal Oxide Semicon-
double tous les 18 mois). Aujourd’hui, plus de
l’extinction se faisant lors du passage par zéro
ductor) 1 est une des pierres angulaires de la
100 millions de transistors, chacun d’une sur-
de la tension d’alimentation à 50/60 Hz.
microélectronique actuelle. Ce dispositif permet
face inférieure à 10–6 mm2, peuvent être intégrés
Cependant, le fait que le thyristor ne soit pas
de commander, avec une précision élevée, le
sur une pastille de 1–2 cm . Complétés par des
désamorçable par la gâchette limite les domaines
courant dans le semi-conducteur en appliquant
fonctions logicielles avancées, des produits bon
d’application de ce composant. Utilisés depuis
une tension sur une électrode de gâchette
marché et innovants, aux nombreuses fonction-
plus de 40 ans pour traiter les fortes puissances,
isolée. Qui plus est, l’énergie requise pour cette
nalités et au rendement extrêmement élevé sont
les thyristors sont aujourd’hui proposés pour
opération est extrêmement faible. Les coûts de
aujourd’hui courants dans ce domaine.
une large gamme de puissance 3 et cons-
2
fabrication du transistor MOS sont très compéti-
tituent souvent une solution économique et
2 La loi de Moore – plus puissant, plus petit. Les nouvelles technologies et des
3 Ce thyristor haute puissance au silicium, conçu
techniques de fabrication plus performantes sont les deux forces motrices du
pour les applications de transport CCHT, peut
développement des pastilles de semi-conducteurs à base de MOS, constituant
supporter 8000 V et 2000 A. Il occupe une tranche
élémentaire des technologies de l’information modernes.
de silicium de 5 pouces.
Transistors/chip
109
106
103
1970
Revue ABB 3/2000
1980
1990
2000
39
Transmission and Distribution
Gate
Critical
dimension
Cathode
Insulator
Gate-controlled
electron current
Semiconductor
wafer
Anode
High current
4 La technologie IGCT d’ABB a placé la barre très haut en
5 La combinaison de transistors MOS haute impédance à la surface
termes de performances et de coût des thyristors.
pour une commande rapide et à faible énergie, avec un transistor vertical
pour des tenues en courant et tension élevés, confère à l’IGBT une
excellente aptitude à la commande et un gain d’énergie très important.
performante pour les niveaux de puissance
type de composant, le thyristor IGCT (Integrated
de forte puissance nécessitant des composants à
supérieurs.
Gate Commutated Thyristor) [1]. Cette nouvelle
désamorçage forcé. Actuellement, les domaines
technologie proposait, pour la première fois,
d’applications types sont les gros systèmes
Une commande par gâchette
l’injection et l’extraction homogènes et com-
d’entraînement et les systèmes d’alimentation
perfectionnée pour améliorer les
mandées haute précision de courants de
de la traction [3].
performances des thyristors
gâchette dans les thyristors par le biais d’un cir-
Le désamorçage par gâchette apparut à la fin des
cuit de commande de gâchette intégré 4 . En
Associer semi-conducteurs de
années 1970 avec l’avènement du thyristor GTO
utilisant ce concept, la diode de roue libre, qui
puissance traditionnels et
(Gate Turn-Off thyristor). En permettant la fabri-
doit être connectée en antiparallèle avec les
microélectronique de pointe
cation de convertisseurs performants pour la
GTO dans de nombreux types de convertisseurs,
De nombreuses tentatives ont été faites pour
commande de la fréquence de sortie, le thyristor
peut désormais être intégrée sur la même
associer les technologies de la microélectronique
GTO ouvrit la porte à la commande à vitesse
tranche de semi-conducteur, simplifiant la con-
(utilisées pour la commande haute précision des
variable des moteurs à courant alternatif (c.a.) et
ception mécanique du convertisseur. La commu-
signaux basse tension dans les circuits intégrés)
autres applications de même type. Cependant,
tation homogène sur toute la surface du com-
avec les besoins de traitement de l’énergie des
les pertes étant plus élevées avec les GTO
posant IGCT réduit de manière significative les
composants semi-conducteurs de puissance.
qu’avec les thyristors classiques, il devint néces-
pertes par rapport au GTO [2]. Enfin, la réduc-
A ce jour, la meilleure solution est le transistor
saire de concevoir des circuits complexes pour
tion du nombre de composants du convertisseur
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) [4], qui
l’alimentation en forts courants de gâchette, de
(ex., condensateurs et filtres) permet de dimi-
conjugue une gâchette caractérisée par une
même que des circuits d’amortissement pour la
nuer la taille du convertisseur.
haute impédance et un faible niveau d’énergie
protection (’snubbers’). Un saut important dans
Ayant fait la preuve de son haut niveau de
les performances du thyristor GTO fut réalisé en
fiabilité, l’IGCT constitue la solution optimale et
1997 par ABB avec l’introduction d’un nouveau
économique pour de nombreuses applications
40
avec la capacité de traitement d’énergie des
thyristors et transistors bipolaires standards.
L’IGBT est commandé par un masque de
Revue ABB 3/2000
100
Critical dimension[ µ m ]
Thyristor
10
1K
4K
16K
64K
IGBT
256K
1M
1
DRAM
4M
16M
64M
256M
0.1
1965
1975
1985
1995
2005
6 Grâce à l’utilisation de technologies de fabrication développées
7 Les techniques avancées d’intégration des semi-conduc-
pour les circuits intégrés et les mémoires, les niveaux de perfor-
teurs sont la clé de la position de leader d’ABB en électronique
mances des nouveaux semi-conducteurs de puissance évoluent
de puissance.
selon une tendance similaire.
transistors MOS répartis à la surface du dispositif
cuits microélectroniques destinés à des marchés
performances des IGBT 8 . Les transistors MOS
5 . Ces transistors MOS permettent une com-
beaucoup plus vastes 6 . La maîtrise parfaite du
sur la surface des tranches, tout comme l’épais-
mande haute impédance du courant qui parcourt
procédé de fabrication est cruciale pour garantir
seur des tranches de silicium, sont optimisés
le composant, de sorte que seul un courant de
l’uniformité et la reproductibilité des caractéris-
pour des performances élevées lorsque l’IGBT
niveau extrêmement faible doit être fourni à la
tiques, et donc les performances élevées
est à l’état passant et pour des pertes très faibles
gâchette de commande. La bonne tenue aux
et le haut niveau de fiabilité de ces dispositifs.
lors de la commutation du dispositif pour blo-
tensions et courants élevés est assurée par le
Même si les années 1980 ont vu des progrès
quer le courant.
composant vertical du dispositif, à savoir un
substantiels dans le développement et la produc-
transistor bipolaire. L’épaisseur de ce transistor
tion des IGBT pour les faibles tensions (600 à
puissance sont, selon une première approxima-
vertical est suffisante pour résister aux tensions
1200 V), il a fallu attendre le début des années
tion, proportionnelles au carré de l’épaisseur du
élevées. L’effet transistor vertical est également
1990 pour comprendre que le même concept
dispositif, toute démarche d’optimisation doit
fondamental car il améliore la conductivité du
pouvait également être utilisé pour des tensions
de toute évidence s’attacher à réduire cette
matériau semi-conducteur et, par conséquent,
plus élevées [5].
épaisseur. Avec la technologie SPT, ABB a fait
réduit la chute de tension dans le dispositif en
Depuis, ABB a élargi son offre qui inclut des
Sachant que les pertes des composants de
un véritable bond en avant, ramenant l’épais-
modules de puissance IGBT pour des tensions
seur des IGBT 1200 V à moins de 70% de celle
comprises entre 1200 V et 4500 V. Une collabo-
des dispositifs précédents. De plus, la structure
liées aux caractéristiques des cellules transistors
ration étroite avec les clients a permis d’opti-
planaire des cellules, qui contribue à la repro-
MOS en surface, et le succès rencontré par ces
miser ces produits pour d’importantes applica-
ductibilité et aux faibles coûts de fabrication,
dispositifs est principalement le fait du
tions 7 .
confère au nouvel IGBT 1200 V de faibles
phase de conduction.
Les performances de l’IGBT sont directement
développement continu de nouvelles structures
Avec sa nouvelle gamme d’IGBT 1200 V
de cellules qui, souvent, mettent en oeuvre des
basée sur la technologie exclusive SPT (Soft
IGBT «à tranchées» plus complexes, mais opti-
technologies développées à l’origine pour les cir-
Punch Through) [6], ABB a encore amélioré les
misés à cet égard. En termes de désamorçage,
Revue ABB 3/2000
pertes à l’état passant, comparables à celles des
41
Transmission and Distribution
10
5
cours des nombreuses années est désormais
Losses during switching
Turn-off loss[ m W s ]
15
exploitée pour la conception des IGBT haute
tension.
Un facteur important à prendre en compte
lors de l’optimisation des performances des disNew SPT
technology
from ABB
State of
the art
products
positifs haute tension est l’impact des rayons
cosmiques. Trouvant leur source au plus profond
de l’espace, ces particules pourraient provoquer
Losses during conduction
0
1.5
2.0
2.5
des défaillances spontanées des dispositifs. Des
3.0
3.5
Forward voltage drop [ V ]
recherches très poussées ont été entreprises par
ABB pour comprendre leurs effets et concevoir
des dispositifs peu sensibles à ces particules.
8 Comparaison des performances de l’IGBT 1200 V. Données à 600 V, 75 A, 125 °C.
Autre facteur important pour la conception
des dispositifs haute tension: la densité d’énergie
pendant les commutations. Pour une technologie
donnée, le courant commandable maximum est
essentiellement inversement proportionnel à la
tension que le dispositif doit supporter. Ainsi, le
courant nominal pour une taille de pastille donnée décroît rapidement lorsque la tension augmente. En cas de court-circuit, la densité d’énergie à l’intérieur des IGBT atteint facilement
plusieurs MW/cm2 avec, pour conséquence, un
échauffement extrêmement rapide de l’IGBT et
la destruction possible du dispositif.
D’importants travaux de recherche sont ainsi
menés par ABB pour élever le seuil de destruc-
9 Tranche de silicium produite selon la technologie IGBT la plus récente d’ABB.
Cette tranche de 5 pouces a une épaisseur de 125 µm et comporte plus de
10 millions de transistors.
tion, à la fois pour ce qui concerne la densité
d’énergie et l’absorption d’énergie maximale en
cas de court-circuit extrême. Sur ces deux points,
les nouvelles technologies IGBT d’ABB sont net-
le nouveau concept est comparable aux IGBT
car on minimise la quantité de silicium sur le
tement plus performantes. En utilisant des tech-
de technologie NPT (Non-Punch-Through),
parcours du courant et, donc, les pertes du dis-
niques d’auto-alignement à 100%, on garantit
optimisés pour ce paramètre. Par ailleurs, la
positif 9 .
que la définition géométrique de toutes les
technologie SPT permet de fabriquer des dis-
Les fondements technologiques qui ont servi
caractéristiques critiques pour la fabrication est
positifs avec un comportement très ’doux’ lors
à l’élaboration de la gamme des produits SPT
indépendante de la qualité de l’alignement
des commutations, réduisant les problèmes de
sont aujourd’hui utilisés pour améliorer les per-
photolithographique. On obtient ainsi une très
bruit électrique dans les convertisseurs. La fabri-
formances des IGBT conçus pour des tensions
grande uniformité avec suppression des points
cation de tranches de silicium extrêmement
supérieures. De ce fait, l’expérience accumulée
faibles susceptibles de limiter les performances
minces est un facteur clé de ces performances,
par ABB sur les thyristors très haute tension au
des dispositifs. Une couche de dopage spéciale
42
Revue ABB 3/2000
dans les cellules améliore la conductivité du parcours du courant de ’trou’. Résultat: un accroisse-
Tableau 1
en empêchant l’accrochage du thyristor parasite).
Propriétés critiques du silicium (Si) et du carbure de silicium (4H-SiC).
Les propriétés du diamant – matériau semi-conducteur qui offre le
meilleur potentiel inhérent pour les dispositifs haute pression – sont
données à titre de comparaison.
Si
4H-SiC Diamant
De plus, la couche de la gâchette étant optimisée
Bande interdite
eV
1.1
3
5
pour une impédance minimale, le temps de
Domaine de claquage
MV/cm
0.3
3
10
propagation du signal de la gâchette est égale-
Vitesse d’électron maxi
107
1.0
2
3
ment minimisé. On obtient ainsi une commuta-
Conductivité thermique
W/cmK
1.5
5
20
ment considérable de la densité de courant du
dispositif (meilleure utilisation de la surface) et
une limite de température plus élevée (obtenue
cm/s
tion uniforme de l’IGBT complet, avec amélioration des performances lors du désamorçage.
Autre avantage de ces nouvelles technologies
de cellules: on crée une distribution de plasma
Tableau 2: Un avenir prometteur
comme chez le thyristor au sein du dispositif.
Par conséquent, les pertes de conduction à l’état
Potentiel technique des dispositifs de puissance au SiC comparé aux
limites du silicium
passant ne sont plus un facteur de limitation aussi prépondérant de la tension de service maxi-
■
Tension du dispositif
5 à 10 fois supérieure
male des IGBT. Ainsi, ils deviennent des concur-
■
Densités de courant
10 à100 fois supérieures
rents sérieux des thyristors, GTO et IGCT dans
■
Pertes de commutation
1/10ème à 1/100ème des niveaux
de nombreuses applications. Des échantillons
■
Températures de service
actuels jusqu à 500°C
d’IGBT 6.500 V sont actuellement testés.
Des modules de puissance IGBT haute
tension ABB sont actuellement utilisés dans des
applications de traction et de transport d’énergie
convertisseurs exigent des circuits supplémen-
de carbure de silicium (SiC). Avec l’énergie de
électrique.
taires ou le phénomène de commutation est
liaison atomique importante (bande interdite) et
ralenti [2] du fait des besoins de protection des
la rigidité diélectrique élevée (Tableau 1) de ce
Après le silicium?
dispositifs, ce qui augmente les pertes. Par
matériau semi-conducteur, des dispositifs opti-
Même si les performances des composants semi-
ailleurs, des convertisseurs offrant des fréquen-
misés au SiC permettraient de prolonger de 10 à
conducteurs de puissance au silicium vont
ces de commutation très nettement supérieures
20 ans les améliorations des performances par
encore évoluer, les facteurs fondamentaux de
seraient les bienvenus pour les fortes puissances
rapport aux dispositifs au silicium (Tableau 2).
limitation de ce matériau sont en vue. La densité
(>10 MW) typiques des applications de transport
De plus, le carbure de silicium pouvant fonc-
d’énergie maximale (robustesse) et la stabilité
et de distribution. Un convertisseur opérant à des
tionner à des températures considérablement
thermique (pertes, refroidissement) sont des
fréquences élevées avec des pertes faibles per-
plus élevées que le silicium, on peut intégrer les
paramètres de performances importants des dis-
mettrait de minimiser l’encombrement et le coût
composants semi-conducteurs de puissance
positifs qui seront limités par les propriétés de
des filtres et des équipements de refroidissement.
directement dans les équipements électriques
base de ce matériau. Les diodes haute puissance
Ces applications exigent en fait bien plus que
comme les générateurs et les moteurs.
Des diodes Schottky au carbure de silicium
au silicium sont déjà proches de ces limites et
de nouvelles structures de dispositifs ou de nou-
cette tendance semble se dessiner également
veaux circuits de gâchette. Une voie très promet-
pour les applications basse tension (600 V)
pour les autres semi-conducteurs. La plupart des
teuse consiste à fabriquer les dispositifs à base
arrivent sur le marché. Elles sont destinées
Revue ABB 3/2000
43
Transmission and Distribution
10 ABB a développé un procédé de fabrication de couches épitaxiales de SiC
épaisses (30–60 µm) hautes performances qui utilise un réacteur de dépôt
chimique en phase vapeur dit à «parois chaudes». Ce procédé exclusif permet
de produire des dispositifs de puissance au SiC pour la gamme 5–15 kV.
Les performances nettement supérieures des
diodes de puissance au SiC (pour des tensions
de 2,5 à 4,5 kV, et un courant de commutation
de 400 A) sur les dispositifs au silicium ont
récemment été démontrées [7]. Les pertes de
commutation de ce type de diode sont quasi
nulles 11 . Dans un premier temps, des IGBT
au silicium peuvent être combinés à des diodes
de puissance au SiC pour créer des modules
hybrides. En utilisant les techniques à contact
pressé (Presspack) mises en œuvre pour les dispositifs au silicium, des réductions de pertes de
l’ordre de 40 à 60% ont été mesurées avec ce
principalement aux dispositifs d’alimentation
aux propriétés requises pour les dispositifs haute
dispositif hybride dans des convertisseurs types
en énergie et aux compensateurs de facteur de
tension 10 . Des diodes et des dispositifs com-
à commutation «dure». Les modules de puissance
puissance.
mandables sont en cours de production au sein
«tout SiC», avec des dispositifs commandables
d’une usine pilote, mettant en œuvre des tech-
également au carbure de silicium, sont suscepti-
posants de puissance au carbure de silicium il y
niques de fabrication développées spécifique-
bles de réduire très fortement les pertes totales
a maintenant cinq ans. Nous avons notamment
ment pour gérer ce matériau semi-conducteur
des convertisseurs qui n’atteindraient plus que
développé un procédé exclusif de fabrication
chimiquement résistant.
10 à 20% du niveau des pertes des solutions
ABB a entrepris le développement de com-
technologiques actuelles.
d’un matériau carbure de silicium haute qualité
génère seulement 4% des pertes de commutation d’un dispositif
Current[ A]
équivalent au silicum.
Orange
Diode Si, courant
Bleu foncé
Diode Si, tension
Rouge
Diode SiC, courant
Bleu clair
Diode SiC, tension
400
1200
300
1000
200
800
100
600
0
400
-100
200
-200
0
0
2e-06
4e-06
6e-06
Voltage[ V]
11 ABB a fait œuvre de pionnier dans la R&D sur le SiC pour des dispositifs HT à très faibles pertes. Ce module 2500 V/400 A
8e-06
Time[ s ]
44
Revue ABB 3/2000
Ce progrès dans les performances des semi-
12 Evolution de la capacité de traitement de l’énergie des
conducteurs est étroitement lié aux tendances
semi-conducteurs de puissance
qui se dessinent dans les domaines d’application.
Traditionnellement, ce sont les commandes de
108
moteur à vitesse variable et le transport CCHT
qui ont orienté le développement des semi-conducteurs de forte puissance. Pour les applications haute puissance, les systèmes avec disposi-
107
fréquences types de 50–500 Hz sont remplacés
par des convertisseurs aux IGBT qui commutent
à 1–5 kHz. Les nouveaux matériaux continueront
de suivre cette tendance 12 , modifiant fondamentalement le mode de sélection et les
domaines d’application des semi-conducteurs de
puissance pour la régulation de la répartition des
puissances dans le réseau électrique.
Power-handling capability[ VA ]
tifs au silicium classiques fonctionnant à des
Thyristor
GTO/IGCT
IGBT
SIC
diodes
106
Thyristor
105
P s =V DRM x I TAVM
GTO/IGCT
P s =V DRM x I TGQM
IGBT
P s =V CES x I Cmax
SiC diodes
Intégration des systèmes
P s =V RM x I AM
104
Dans les équipements de transport et de distribu-
1960
1970
1980
1990
2000
2010
tion d’électricité à électronique de puissance, il
13 La commande MLI des modules IGBT en série permet de concevoir des équipements de transport c.c. très compacts.
Po we r
supply
+/- Ud
Gate
unit
F i be ro pt i c
links
U sw
U ac
Ma i n
c o n t ro l l e r
IGBT
valve
c o n t ro l
unit
Po we r
s u ppl y
Gate
unit
F i be ro pt i c
links
Vo l t a g e
d i v i de r
Vo l t a g e
d i v i de r
Po we r
s u ppl y
Gate
unit
Vo l t a g e
d i v i de r
F i be ro pt i c
links
Revue ABB 3/2000
45
Transmission and Distribution
14 L’empilage en usine d’IGBT en série
prétestés garantit une qualité élevée et
minimise les temps de mise en service.
est primordial de pouvoir optimiser les différents
qués par des défauts sur le réseau c.a., garantis-
conçu pour ces tâches, garantissent une
facteurs de performances des composants semi-
sant ainsi la sécurité de fonctionnement du
commande haute précision de la tension sur
conducteurs aux spécifications du système
réseau lors de ces défauts. Dans des cas extrê-
chaque IGBT.
global. Le nouveau système HVDC Light d’ABB
mes, comme par exemple un défaut d’isolation
[8, 9] introduit le concept des convertisseurs
d’un câble c.c., les diodes antiparallèles intégrées
ques doivent également être satisfaites par les
source de tension pour les applications de trans-
aux modules IGBT doivent pouvoir supporter les
IGBT en série. Ainsi, par exemple, ils doivent
port d’énergie électrique 13 . Le résultat est un
courants de court-circuit élevés pour permettre
être isolés du potentiel de terre, tâche peu aisée
nouveau concept pour les réseaux de transport
l’arrêt de la centrale en toute sécurité sans
lorsque l’on a affaire à des convertisseurs ayant
en courant continu conjuguant haut niveau de
endommager l’installation.
au circuit intermédiaire des tensions continues
fonctionnalités (concept qui améliore même le
réseau c.a. existant) et compacité.
Les IGBT pour les solutions HVDC Light ont
été développés comme partie intégrante du con-
Autre caractéristique spécifique des modules
Certaines contraintes mécaniques et thermi-
pouvant atteindre 100 kV, voire plus. Dans les
IGBT destinés aux applications HVDC Light:
solutions HVDC Light, les pastilles d’IGBT et les
leur conception simplifie leur mise en série.
diodes antiparallèles sont réunies dans un boîtier
Tous les IGBT en série d’une même vanne
Presspack, semblable au boîtier des thyristors
cept, à la fois en termes de performances élec-
doivent être amorcés ou désamorcés simultané-
haute puissance traditionnels. Les IGBT sont
triques (tenue en courant et en tension) et de pro-
ment 13 . La transmission des signaux de com-
empilés entre les radiateurs avec une gâchette
priétés mécaniques et thermiques. Un des aspects
mande à chaque IGBT se fait sur fibre optique.
et un diviseur par composant, formant ainsi un
technologiques clés est la commande précise de
Pour s’assurer que tous les dispositifs de puis-
montage IGBT. Chaque gâchette est alimentée
chaque composant semi-conducteur de puissance,
sance se répartissent équitablement la tension au
par un circuit qui prélève l’énergie sur la tension
plus particulièrement en régimes transitoires. Il
désamorçage et blocage, les paramètres des
aux bornes de l’IGBT. Un nombre important de
s’agit-là d’un point important car le convertisseur
IGBT qui déterminent la vitesse de commutation
ces montages connectés en série sont empilés
coupe et conduit la haute tension pour créer les
et l’impédance de blocage sont soigneusement
sous pression pour justement former l’empilage
formes d’ondes de courant alternatif désirées.
contrôlés pendant la fabrication des dispositifs.
d’IGBT utilisé pour fabriquer le convertisseur.
Les IGBT sont conçus pour limiter les
D’autres éléments comme les circuits diviseurs
En testant les empilages avant leur expédition
de tension externes et un circuit de gâchette
jusqu’au site d’installation et leur montage dans
courants élevés et surtensions transitoires provo-
46
Revue ABB 3/2000
le convertisseur, la mise en service est beaucoup
fait d’accroître la fiabilité, ce concept permet des
de production décentralisée d’énergie et des
plus rapide 14 .
tolérances moins étroites pour la structure méca-
sources d’énergies renouvelables aux consom-
nique soutenant les empilages d’IGBT, améliorant
mateurs et au réseau électrique. La rentabilité
ainsi le rapport global coût/performances du système.
des turbines de puissance nominale inférieure
Objectif: gagner en fiabilité
à 100 kW a été rendue possible par l’apparition
Même si des mesures importantes sont prises
pour garantir la protection globale du système
Un domaine d’applications
de convertisseurs électroniques compétitifs
et des dispositifs, il restera toujours un risque
croissant
capables de transformer l’énergie électrique
infime de dysfonctionnement des dispositifs
Les solutions à base d’électronique de puissance
produite par les générateurs à grande vitesse en
dans les systèmes complexes composés d’un
concurrencent de plus en plus les équipements
courant alternatif de 50/60 Hz. L’énergie élec-
grand nombre d’éléments. Des systèmes comme
électromagnétiques traditionnels dans les appli-
trique fournie par les piles à combustible, les
HVDC Light qui fonctionnent à des niveaux
cations de transport et de distribution d’électri-
aérogénérateurs et les panneaux solaires est
élevés de tension réseau comportent normale-
cité. En règle générale, ces solutions avancées
produite à de faibles niveaux de tension conti-
ment de nombreux dispositifs en série. Une
améliorent le rendement et le niveau de fonc-
nue. Les solutions à électronique de puissance
grosse station HVDC Light qui gère, par exem-
tionnalités des infrastructures électriques exis-
réalisant de nombreuses fonctions avec un rap-
ple, entre 200 et 300 MW, comprend au total
tantes. Citons notamment l’utilisation de liaisons
port coût/rendement exceptionnel sont indis-
plus de 1.000 montages d’IGBT. En ajoutant
CCHT pour l’interconnexion de réseaux séparés
pensables pour convertir cette énergie à des
encore des dispositifs à l’empilage de dispositifs
et l’amélioration de la stabilité des réseaux.
niveaux de tension et de fréquence exploita-
Un autre domaine dans lequel l’électronique
bles. Les sources d’énergies renouvelables étant
redondance, ce qui permet d’exploiter le réseau
de puissance pilote la croissance du marché est
souvent éloignées des grandes agglomérations,
de transport même en cas de défaillance de
la technologie des micro-réseaux, où elle est
les nouvelles technologies à électronique de
quelques dispositifs, tout en s’assurant une
indispensable pour la connexion des moyens
puissance, comme le système HVDC Light, per-
en série, on confère au système une certaine
disponibilité élevée et en limitant les besoins de
maintenance périodique.
15 Caractéristiques d’encombrement des installations CCHT
Une condition préalable à ce type de redondance est l’aptitude des dispositifs à la défaillance
100000
contrôlée, créant un court-circuit de résistance
suffisamment faible pour pouvoir conduire le
HVDC Cla
ssic, 300
courant du système global. A la suite d’un pro-
- 3000 M
W
gramme très complet de recherches et d’essais,
ABB a développé une nouvelle gamme de mo-
10000
dules Presspack haute puissance conforme à ces
1000
0-
,1
30
0M
W
sance. Dans ce contexte, un appareil de pression
ht
pour les installations haute tension et haute puis-
Lig
en fait la solution idéale comme éléments de base
DC
courants de phase entre 500 A et 1500 A, ce qui
HV
tensions comprises entre 2500 et 4500 V et des
Station area[m 2 ]
critères. Ces modules sont conçus pour gérer des
de conception exclusive garantit l’application
d’une force juste suffisante sur la pastille pour la
résistance de contact électrique minimale. Outre le
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100
1960s
1970s
1980s
1990s
2000+
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Transmission and Distribution
mettront de récupérer et d’injecter l’énergie,
breux moyens de production décentralisée
technologiques des semi-conducteurs de puis-
sans impact sur l’environnement, sur le réseau
situés dans des zones sensibles.
sance. Des résultats plus qu’encourageants sur le
front de la R&D – avec, notamment, des IGBT
électrique de transport pour l’acheminer jusqu’aux consommateurs. La nouvelle génération
L’avenir est ouvert
haute tension à base de silicium et des
de semi-conducteurs de puissance, avec des
Au cours des 40 dernières années, les semi-con-
redresseurs à base de carbure de silicium –
fonctions assez semblables à celles des circuits
ducteurs de puissance sans cesse plus perfor-
montrent que nous sommes sur la bonne voie.
intégrés produits en grandes séries et fabriqués
mants ont créé de nouvelles opportunités et ont
selon les mêmes technologies, crée de nouvel-
permis d’élaborer des solutions pour la régula-
les opportunités pour profiter des économies
tion avancée de la répartition des puissances
d’échelle bien connues de l’industrie des semi-
dans de nombreux réseaux électriques. De
conducteurs.
nouveaux concepts et des développements tech-
Autre avantage des nouvelles technologies à
nologiques ont débouché sur des innovations
électronique de puissance: la réduction de
qui ont fait de l’électronique de puissance la
l’encombrement des infrastructures électriques
solution technologique pour un nombre crois-
avec comme corollaire la minimisation de
sant d’applications industrielles, de traction et de
l’impact sur l’environnement (plus particulière-
transport d’énergie. Les progrès les plus récents,
ment l’impact visuel) et l’utilisation de l’espace
permettant une commutation haute fréquence
et des ressources disponibles à d’autres fins.
pour une conversion de puissance rentable dans
Le développement des différentes technologies
la gamme des centaines de MW, laissent
pour les équipements CCHT 15 souligne cette
présager une utilisation élargie de l’électronique
tendance. Le facteur compacité deviendra
de puissance dans le secteur du transport et de
primordial pour un nombre toujours croissant
la distribution de l’énergie électrique. Ce change-
d’applications comme les infrastructures off-
ment de paradigme s’inscrit dans la démarche
shore, l’alimentation des grands centres urbains
traditionnelle d’ABB de transformer des solutions
et le couplage au réseau électrique de nom-
innovantes en réalité en repoussant les limites
Auteurs
Christer Ovrén
Heinz Lendenmann
ABB Corporate Research
SE-721 78 Västerås/Suède
[email protected]
[email protected]
Fax: +46 21 34 51 08
Stefan Linder
ABB Semiconductors
CH-5600 Lenzburg/Suisse
[email protected]
Fax: +41 62 888 63 09
Bo Bijlenga
ABB Power Systems AB
SE-721 64 Västerås/Suède
[email protected]
Fax: +46 21 32 48 59
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