Les IGBT sont des composants clés de l'électronique de puissance et sont principalement utilisés comme commutateurs rapides, par exemple pour les onduleurs ou les unités de commande de moteur. Ses drivers sont alimentés par de petits convertisseurs DC/DC très performants, indispensables au parfait fonctionnement de l'ensemble du système. Par conséquent, une attention particulière doit être portée lors du choix du bon convertisseur.
Les IGBT sont devenus des dispositifs presque incontournables en électronique de puissance. En raison de leur capacité à convertir des puissances élevées sans consommer presque aucune électricité, ils sont utilisés dans une multitude de commutateurs, tels que les onduleurs de fréquence modernes.
En période de hausse des prix de l'électricité, ces appareils offrent une alternative intéressante pour exploiter les installations des centres de production de la manière la plus efficace possible.
La fonction principale du variateur de fréquence est de contrôler la vitesse de rotation d'un moteur asynchrone triphasé. La vitesse de rotation dépend directement de la fréquence du réseau d'alimentation et donc la modification de cette fréquence permet de faire varier la vitesse de rotation du moteur.
Schéma de principe d'un variateur de fréquence
Un variateur de fréquence est essentiellement composé de trois éléments : un redresseur, un circuit intermédiaire et un onduleur (voir figure 1). Dans le redresseur, le courant alternatif est transformé en courant continu pulsé au moyen d'un pont triphasé non contrôlé.
Le condensateur du circuit intermédiaire lisse l'ondulation du courant continu et, enfin, l'onduleur adapte à la fois la tension de sortie et la fréquence de sortie. Les principaux composants d'un onduleur sont six IGBT disposés par paires dans trois branches. Ceux-ci activent ou désactivent la tension de circuit intermédiaire redressée, en fonction de l'excitation, par PWM (modulation de largeur d'impulsion).
excitation des IGBT
Pour l'excitation des pilotes IGBT ou des circuits de contrôleur IGBT sont nécessaires. Ceux-ci font partie du circuit de puissance et "flottent" avec les potentiels de tension correspondants. Pour cette raison, l'existence d'une isolation galvanique est absolument nécessaire. L'isolation du signal d'excitation est réalisée au moyen d'un optocoupleur, tandis que lors de l'alimentation cette fonction est généralement remplie par deux convertisseurs DC-DC fortement isolés.
Les IGBT combinent les caractéristiques d'un MOSFET en entrée et celles d'un transistor bipolaire en sortie. Ils peuvent être excités presque sans électricité et à l'état passant ils subissent très peu de chute de tension sur le trajet entre le collecteur et l'émetteur. Pour cette raison, les IGBT sont les dispositifs idéaux pour commuter des tensions et des courants élevés avec presque aucune puissance. Pour cela, il est essentiel que la capacité de la porte soit chargée le plus rapidement possible lors de la connexion. Ainsi, pendant une courte période de temps, une quantité importante d'électricité circule. Dans ce cas, la résistance de grille RG atteint un temps d'amorçage possible plus long avec des valeurs di/dt encore tolérables. La même chose ne se produit pas lors de la mise hors tension. Dans ce cas, la tension de capacité de grille doit être déchargée le plus rapidement possible. Ceci est réalisé avec une tension d'excitation VG-. Si une alimentation équilibrée est utilisée (pour une commutation fiable d'un IGBT +15V est nécessaire), ils seraient donc de -15V. Mais cela produirait, du fait de la décharge rapide de la grille, des pics de tension très élevés et une usure massive de tous les composants. Pour cette raison, la tension d'excitation est généralement réduite à l'arrêt afin de prolonger la durée de vie utile. En pratique, une tension de -9V s'est avérée faisable, puisque de cette façon la grille se décharge de manière fiable avec des valeurs dv/dt encore acceptables. L'image 2 montre les flux d'électricité et de tension. Chaque équipe de développement est donc confrontée à un dilemme : Soit opter pour la variante peu encombrante avec un seul convertisseur d'alimentation symétrique ±15V, soit opter pour une alimentation avec deux convertisseurs +15V et -9V séparés avec des coûts conséquents plus élevés.
Les convertisseurs dits IGBT sont nouveaux sur le marché. Ils sont parfaitement conçus pour répondre aux besoins des drivers IGBT. Pour cette raison, ils disposent de deux sorties asymétriques qui fournissent le +15V et le -9V nécessaires à l'alimentation des drivers (figure 3). De cette façon, plus d'un seul convertisseur n'est plus nécessaire, ce qui économise de l'espace et, par conséquent, de l'argent comptant.
L'importance de l'isolation pour la durée de vie
A première vue, et considérant que la tension du circuit intermédiaire est d'environ 560V, il semble que la résistance d'isolement ne devrait pas poser de problème.
Selon la règle générale, un niveau d'isolement d'au moins deux fois le niveau de tension du circuit intermédiaire est considéré comme suffisant. Mais ces valeurs sont souvent dépassées en raison de fréquences de commutation élevées allant jusqu'à 16 kHz et de fronts montants et descendants très extrêmes. Étant donné que ces fronts n'oscillent que dans la gamme μs, l'importance de l'isolation n'est pas évidente à première vue. Mais au fil du temps sa surcharge peut provoquer la défaillance prématurée de la pièce car, comme le dit le proverbe : « Goutte à goutte le coffre se remplit ».
Pour le degré d'isolation, qui définit le type d'isolation, les lignes d'air et de fuite du transformateur qui sont généralement spécifiées pour 50 Hz sont très importantes. En cas de fréquences plus élevées et également changeantes, comme d'habitude dans les unités de commande de moteur, les composants électromagnétiques et les matériaux se comportent différemment. A cela il faut ajouter les capacités parasites des commutations dues aux fronts montants et descendants marqués. Il n'est donc pas raisonnable de se fier à une isolation simple ou fonctionnelle constituée uniquement d'une couche de gomme laque sur les conducteurs du transformateur. L'isolation double ou standard, qui comprend, en plus des câbles isolés, une deuxième barrière isolante, offre beaucoup plus de sécurité.
En résumé, on peut dire qu'il faut choisir une tension d'isolement nettement supérieure aux pics de tension attendus. Associée à une isolation standard ou renforcée, cette option permet d'obtenir un convertisseur IGBT avec la plus grande fiabilité possible. Mais en plus, l'obstacle supplémentaire posé par les différentes informations contenues dans les fiches techniques des constructeurs doit être surmonté. Alors que certaines lames ont une tension de test "1 seconde hold", d'autres ont une tension "1 minute hold" ou même "permanente".
Logiquement, en cas de maintenance plus longue, la tension d'essai est plus faible. Afin de faciliter une conversion rapide pour l'utilisateur, RECOM propose un outil pratique : le Calculateur d'Isolement (figure 4). Cet outil permet de comparer rapidement et facilement les valeurs correspondantes.
Nouveau convertisseur IGBT à usages multiples
Afin de répondre à toutes ces exigences, RECOM a intégré sept nouvelles familles de convertisseurs IGBT dans sa gamme de produits. Tous les modèles ont des sorties asymétriques de +15V et -9V pour alimenter les pilotes IGBT avec des tensions d'entrée de 5V, 12V ou 24V. Il a été jugé très important d'offrir différents types d'isolation. De 3 kV (RH-xx1509D) à 6,4 kV (RxxP1509D), ces convertisseurs offrent des niveaux d'isolation pour tous les goûts. Aussi le montage est souvent un critère déterminant lors du choix du modèle. C'est pourquoi le convertisseur IGBT est également disponible dans un boîtier SIP7 peu encombrant (RP-xx1509D), dans un boîtier DIP14 universellement utilisable (RKZ-xx1509D) et enfin sous forme de DIP24 miniature (RV-xx1509D) pour un montage spécial. .
Les modules 1W et 2W sont certifiés selon la norme EN60950-1 et ne contiennent pas de matières dangereuses selon les directives RoHS2 et REACH. De plus, ils bénéficient d'une garantie de 3 ans comme d'habitude pour les produits RECOM.
