Atténuation des risques des variateurs de moteur : le rôle crucial de l’isolation des drivers de commande

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

La sécurité fonctionnelle tourne autour de l’assurance qu’un système se comportera de manière prévisible et sûre, même face à des défaillances internes ou à des perturbations externes. Dans les entraînements de moteurs, cela implique de réduire les risques associés aux défaillances électriques, mécaniques et logicielles. Cela garantit que le système fonctionne de manière fiable dans toutes les circonstances prévisibles et prévient les blessures, les dommages, voire la perte de vies humaines.

Cet article se concentrera sur la manière dont une défaillance d’alimentation électrique à point unique peut entraîner des mouvements incontrôlés. L’autre aspect de cette défaillance est l’endommagement de la barrière d’isolation galvanique, ce qui peut entraîner des chocs électriques car les entraînements de moteurs délivrent une puissance élevée, fonctionnant à partir de tensions élevées en courant alternatif allant de centaines à des milliers de volts. Pour minimiser la probabilité d’accidents et optimiser l’efficacité opérationnelle, nous examinerons comment la robustesse de la construction des optoisolateurs haute tension peut atténuer les conséquences catastrophiques d’une panne d’alimentation.

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Construction des isolateurs

Avant d’aborder la défaillance d’alimentation à point unique, nous examinerons la construction d’un pilote de porte optique et capacitif isolé galvaniquement. La raison de se concentrer sur les pilotes de porte est qu’ils sont largement utilisés pour piloter les semi-conducteurs de puissance comme les IGBT dans les entraînements de moteurs. Ils fournissent une isolation galvanique renforcée entre les IGBT haute tension et les circuits de commande. Leur capacité à rejeter le bruit de mode commun élevé est importante pour éviter le pilotage erroné des IGBT. Par conséquent, la robustesse de la construction du pilote de porte isolé est essentielle pour conduire le moteur de manière sécurisée en cas de défaillance.

Les optoisolateurs fournissent une isolation renforcée par de grandes distances à travers l’isolation (DTI) entre la LED et le détecteur, avec trois couches de barrières d’isolation. Les trois couches d’isolation sont le silicone, le film de polyimide et le silicone, comme indiqué sur la Figure 1. Le film de polyimide est spécialement développé pour résister aux effets dommageables des décharges partielles, qui peuvent causer l’ionisation et la dégradation du matériau d’isolation. Les propriétés uniques du polyimide, à savoir sa grande résistance diélectrique et sa large plage de températures, lui permettent d’être largement utilisé dans les applications d’isolation électrique, des locomotives à l’aéronautique. Le film de polyimide utilisé dans le phototransistor de commande de porte ACPL-334J a une résistance diélectrique typique de 300 kV/mm et peut résister à des températures aussi basses que -200 ºC et aussi élevées que 400 ºC. La DTI de l’ACPL-334J est de 0,5 mm.

Figure 1. Structure de l’optoisolateur avec trois couches de barre d’isolation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

L’IEC définit un circuit SELV (Very Low Voltage Separated) comme un circuit électrique dans lequel la tension ne peut pas dépasser la ELV (Very Low Voltage) dans des conditions normales et en cas de défaillance unique. Un circuit SELV doit avoir une séparation électrique protectrice de tous les autres circuits. Dans les entraînements de moteurs, le circuit d’alimentation à l’entrée doit être séparé du circuit de commande PWM (Pulse Width Modulation). Le cadre en plomb à l’entrée de l’ACPL-334J est conçu avec une distance de séparation protectrice de plus de 0,8 mm, comme le montre la Figure 2.

Figure 2. Structure du cadre en plomb de l’ACPL-334J avec séparation protectrice. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Les isolateurs capacitifs utilisent le dioxyde de silicium (SiO₂) comme diélectrique pour l’isolation intégrée sur la puce. Le circuit d’isolation est intégré sur la même puce que les autres circuits dans un processus monolithique. Une isolation haute tension est obtenue en utilisant deux condensateurs SiO₂ épais en série, un côté entrée et un côté sortie. Les condensateurs haute tension utilisent le même processus que la production CMOS. L’épaisseur du SiO₂ ou la DTI d’un isolateur capacitif se situe entre 0,014 et 0,028 mm.

Figure 3. Structure de l’isolateur capacitif avec deux condensateurs SiO2 en série. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

La radiographie d’un pilote de porte utilisant une isolation capacitive dans un module à deux puces est montrée à la Figure 4. Les CI d’entrée et de sortie ont des condensateurs d’isolation pour augmenter la capacité de haute tension. Comme il s’agit d’un processus monolithique, le CI d’entrée du pilote de porte comprend le circuit d’alimentation, le circuit de commande PWM et le condensateur SiO₂ sur une seule puce.

Figure 4. Radiographie d’un pilote de porte utilisant une isolation capacitive dans un module à deux puces. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Une défaillance à point unique : panne d’alimentation

L’une des principales raisons pour lesquelles la sécurité fonctionnelle est de la plus haute importance dans les entraînements de moteurs est les conséquences catastrophiques en cas de panne. Une défaillance d’alimentation à point unique peut entraîner des mouvements incontrôlés et compromettre la barrière d’isolation. À elle seule, la commande PWM ne peut pas être considérée comme une sécurité hors ligne. La raison en est que si une panne se produit dans l’alimentation et que le CI d’entrée est endommagé, la capacité de couper le moteur doit être garantie.

Cependant, dans l’architecture à puce unique de l’isolation capacitive, la panne d’alimentation peut entraîner l’état incorrect de la logique d’entrée (IN+/IN-), signalant des mouvements incorrects du moteur. En revanche, le cadre en plomb à l’entrée de l’ACPL-334J offre une séparation protectrice de l’alimentation en panne. Cette redondance dans l’architecture offre une condition de sécurité dans laquelle la LED PWM ne transmettra pas de signal erroné au moteur.

Figure 5. La séparation protectrice fournit des conditions de sécurité en cas de panne d’alimentation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

L’autre aspect est d’étudier l’impact de la panne d’alimentation sur la barrière d’isolation galvanique. Un test destructif d’alimentation a été mené en augmentant la polarisation des broches d’alimentation des pilotes de porte isolés optiques et capacitifs jusqu’à ce que le CI d’entrée cède. Ceci afin de simuler la panne d’alimentation avec une surtension de courant incontrôlée dans le CI d’entrée. Selon la norme UL 1577, les pilotes de porte ont été testés par application d’une tension d’essai d’isolation de 5 kV RMS pour détecter un courant de fuite, I_I-O ne dépassant pas 5 µA. Le Tableau 1 montre les conditions de test et les résultats du test destructif d’alimentation.

Tableau 1. Test de courant de fuite haute tension après test destructif d’alimentation

Le courant de fuite haute tension a été appliqué à une unité de contrôle accompagnant le dispositif sous test (DUT) pour vérifier si la barrière d’isolation était dégradée. Le pilote de porte ACPL-334J utilisant une isolation optique ne montre aucune variation du courant de fuite après le test destructif d’alimentation. Cela est attribué à la robuste construction d’isolation avec une large DTI et les trois couches d’isolation en silicone, film de polyimide et silicone, comme le montre la radiographie en coupe transversale de l’ACPL-334J. Bien qu’il soit évident que l’alimentation a endommagé la LED PWM et le CI d’entrée, le film de polyimide ou le ruban d’isolation reste intact en raison de sa distance par rapport à ceux-ci.

Figure 6. Analyse de défaillance de l’ACPL-334J après test destructif d’alimentation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Le pilote de porte utilisant une isolation capacitive, en revanche, montre un courant de fuite très élevé qui dépasse la limite du testeur haute tension. Une analyse de défaillance a été menée pour voir l’ampleur des dommages qui ont causé le courant de fuite élevé.

Figure 7. Analyse de défaillance du pilote de porte isolé capacitif après test destructif d’alimentation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

La Figure 7 montre que le condensateur SiO₂ au niveau du CI d’entrée est endommagé et compromet la capacité d’isolation de l’isolateur. Comme le circuit d’isolation est intégré sur la même puce que les circuits d’entrée dans un processus monolithique, leur proximité et la faible DTI sont des raisons évidentes de l’échec de l’isolation. Cela montre que la défaillance à point unique de l’alimentation peut endommager la barrière d’isolation capacitive, ce qui peut entraîner des chocs électriques et compromettre la sécurité.

Enseignements des optoisolateurs

Les isolateurs optiques et capacitifs font un bon travail d’isolation haute tension, de protection du circuit basse tension et de garantie de la sécurité des utilisateurs. Cependant, les événements défaillants dans les circuits périphériques, comme la panne d’alimentation discutée ici, peuvent endommager la barrière d’isolation, compromettant la sécurité fonctionnelle et électrique. La construction fondamentale de la barrière d’isolation est cruciale pour déterminer à quel point la faute peut atteindre et endommager la barrière d’isolation. La séparation protectrice dans le cadre et les trois couches d’isolation de l’ACPL-334J créent un écart impossible pour que l’énergie de la faute l’atteigne. En revanche, la construction d’isolation capacitive utilise un processus monolithique, intégrant des circuits électriques et le condensateur SiO₂ dans une seule puce, créant une proximité favorable pour que la faute atteigne la barrière d’isolation.

Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].