Les énergies renouvelables alimentent les modules de puissance avec une conception de puce de pointe

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

La transition mondiale vers des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne, le stockage d’énergie, la production d’hydrogène et les systèmes photovoltaïques (PV) crée un besoin pressant d’électronique de puissance capable de fournir des performances élevées et une fiabilité exceptionnelle. Mitsubishi Electric répond à ces exigences avec une nouvelle génération de modules de puissance qui combinent une technologie d’emballage avancée et un design de puce à la pointe de la technologie.

Au cœur de cette innovation se trouve la structure Solid Cover+ (SLC+), une mise à jour significative par rapport à l’ancienne technologie Solid Cover (SLC). La nouvelle structure SLC+ est conçue pour améliorer les capacités de cycle de puissance, un facteur critique pour assurer la fiabilité à long terme des modules de puissance dans des conditions de fonctionnement exigeantes. Cette structure SLC+ mise à jour est intégrée avec le dernier chipset à faible perte de Mitsubishi Electric, de 7^ème génération, en configuration 2,5 kV, offrant une combinaison idéale de performance et de durabilité.

La tension nominale de 2,5 kV a été spécifiquement choisie comme solution optimale pour les systèmes de 1000 Vac et 1500 Vdc. Ce choix représente un compromis soigneusement considéré entre la stabilité DC à long terme (LTDS) et les pertes de puissance, garantissant que le module offre à la fois une haute efficacité et une performance fiable dans les applications d’énergie renouvelable. Ces nouveaux modules sont conçus pour répondre aux exigences strictes des applications à haute performance dans les domaines de l’énergie éolienne, du stockage d’énergie, de la production d’hydrogène et des systèmes photovoltaïques.

Avec ces innovations, Mitsubishi Electric s’efforce de maximiser à la fois l’efficacité et la fiabilité, même dans les environnements d’énergie renouvelable les plus difficiles.

Figure 1. Module LV100 avec IGBT 2,5 kV et technologie SLC+. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Structure SLC+

Au cœur de la performance et de la fiabilité améliorées du module se trouve la structure SLC+, qui a été mise à jour avec des améliorations des capacités de cycle de puissance.

Figure 2. Technologie SLC et SLC+. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Fil de liaison en alliage d’aluminium

La structure SLC+ introduit un fil de liaison en alliage d’aluminium avancé offrant une résistance à la traction nettement supérieure par rapport aux fils de liaison conventionnels. Cette amélioration est cruciale car elle répond directement à l’une des principales causes de défaillance des modules SLC, à savoir la « fissuration des fils de liaison ». Lors des cycles de puissance, l’expansion et la contraction répétées des matériaux peuvent entraîner un stress mécanique qui finit par provoquer des fissures dans les fils de liaison. Le fil en alliage d’aluminium de la structure SLC+ est conçu pour supporter ces contraintes plus efficacement, augmentant ainsi la capacité de cycle de puissance. Cette amélioration prolonge non seulement la durée de vie opérationnelle du module, mais renforce également sa fiabilité dans des conditions de température fluctuantes, comme dans les applications typiques telles que les convertisseurs éoliens. En particulier, les caractéristiques améliorées du fil en alliage d’aluminium, associées à l’encapsulation en résine dure de la technologie SLC, aboutissent à une amélioration significative des capacités de cycle de puissance.

Couche de métallisation dure

Une autre caractéristique essentielle de la structure SLC+ est la couche de métallisation dure appliquée à la surface de la puce. Dans les modules de puissance traditionnels, l’électrode de la puce est susceptible de se fissurer en raison du stress mécanique et de l’expansion thermique. De telles fissures peuvent entraîner des défaillances catastrophiques du module, rendant le système entier inopérant. La couche de métallisation dure dans la structure SLC+ agit comme un bouclier protecteur, empêchant la formation de fissures et maintenant l’intégrité de l’électrode de la puce. Cela complète le fil de liaison amélioré, créant un effet synergique qui renforce considérablement la robustesse globale du module.

Figure 3. Comparaison entre fil d’aluminium et fil en alliage d’aluminium. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Performance du cycle de puissance

Les avantages de la structure SLC+ sont démontrés à travers les tests de cycle de puissance effectués par Mitsubishi Electric. Ces tests visent à reproduire les conditions de fonctionnement rigoureuses auxquelles les modules de puissance sont soumis dans les systèmes d’énergie renouvelable, notamment le cycle thermique qui se produit dans les convertisseurs d’éoliennes côté générateur. Le module LV100 à 2,5 kV avec structure SLC+ a montré une capacité de cycle de puissance dépassant 40 millions de cycles dans des conditions de ton=0,1 s, Tjmax=150 °C, et ΔTj=50 K. Notamment, cette performance a été atteinte sans aucune défaillance, démontrant ainsi l’efficacité de la conception améliorée de la structure SLC+.

Ceci représente une avancée significative par rapport aux modules de puissance conventionnels, qui montrent généralement des signes de dégradation ou de défaillance dans des conditions similaires. La capacité de cycle de puissance améliorée du module SLC+ garantit qu’il peut fonctionner de manière fiable sur de longues périodes, même dans les applications les plus exigeantes. Cette fiabilité est particulièrement critique dans les systèmes d’énergie renouvelable, où un entretien imprévu ou un temps d’arrêt peut entraîner des pertes financières substantielles et perturber la production d’énergie.

Figure 4. Test de cycle de puissance SLC+. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

2500V pour un faible taux FIT LTDS

Le chipset IGBT et diode de 2,5 kV utilisé dans ce module a été optimisé pour répondre aux exigences des systèmes 1500 Vdc / 1000 Vac. Cette optimisation implique d’atteindre un équilibre délicat entre la minimisation des pertes de puissance, le contrôle de la température de jonction et l’amélioration de la robustesse de la stabilité DC à long terme (LTDS). Ces facteurs sont cruciaux pour déterminer l’efficacité et la fiabilité du module. Les tailles des puces, les caractéristiques de conduction et de pertes de commutation ont été réglées pour s’adapter aux convertisseurs dans les applications renouvelables telles que l’énergie éolienne et les systèmes de stockage d’énergie. L’un des principaux défis dans la conception de modules haute tension est d’assurer leur robustesse contre les rayons cosmiques, qui peuvent induire des défaillances, en particulier dans les environnements exposés à long terme à de fortes tensions continues et/ou à de hautes altitudes. Bien que les défaillances induites par les rayons cosmiques soient rares, elles peuvent avoir des conséquences catastrophiques, entraînant des pannes soudaines et imprévisibles du module. La capacité LTDS améliorée du module de 2,5 kV résulte du design de la puce de 2,5 kV et d’un exceptionnel taux FIT plus bas, en faisant un choix idéal pour les applications qui exigent fiabilité et stabilité à long terme, en combinaison avec une haute efficacité.

Figure 5. Estimation du taux d’échec LTDS. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Pertes de module et performance thermique. Les réels avantages du module de 2,5 kV avec la structure SLC+ sont évalués dans des conditions d’application typiques aux applications renouvelables. Des simulations comparant le nouveau module de 2,5 kV avec un module standard de 1,7 kV (CM1200DW-34T) montrent plusieurs avantages clés, en particulier dans les applications d’énergie éolienne.

Une excellente performance de commutation à faible perte a été atteinte, comme le démontre les formes d’onde à 150 °C. Grâce à l’inductance parasitaire intégrée réduite du package LV100, le module de 2,5 kV subit de faibles surtensions à l’arrêt et à la récupération, entraînant une commutation fluide et rapide. Cette inductance réduite permet une optimisation de la puce en vue de réduire les pertes.

En maintenant la même puissance de sortie du système tout en fonctionnant à une tension plus élevée permise par le module de 2,5 kV, le courant réel peut être réduit. La réduction du courant de sortie permet une légère augmentation de la tension à l’état passant sans compromettre la performance globale. L’IGBT de 2,5 kV présente une tension à l’état passant d’environ 15 % supérieure à celle de la version de 1,7 kV, tandis que la diode de 2,5 kV n’a qu’une tension directe supérieure de 5 %. La performance robuste de la diode a été conçue car les pertes de diode sont critiques dans les convertisseurs redresseurs pour les applications éoliennes et d’hydrogène.

Figure 6. Formes d’onde de commutation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Lors de la comparaison des pertes de puissance et des températures de jonction entre les modules de 2,5 kV et de 1,7 kV, le module de 2,5 kV fournit environ 15 % de puissance de sortie en plus à la même température de jonction (150 °C). Ceci est particulièrement bénéfique dans les systèmes d’énergie éolienne, où le nouveau module peut atteindre une plus grande production d’énergie sans dépasser les limites thermiques.

De plus, thermiquement, le module de 2,5 kV présente l’amélioration que les températures des IGBTs et des diodes sous des conditions de fonctionnement typiques sont très similaires, conduisant à une utilisation efficace des dispositifs et à une durée de vie prolongée des cycles de puissance, car aucun dispositif ne crée de goulet d’étranglement thermique ou de durée de vie tandis que l’autre dispositif n’est pas complètement sollicité. La réduction de l’amplitude de température (ΔTj) dans le module de 2,5 kV minimise la diode en tant que goulet d’étranglement dans des conditions de fonctionnement à facteur de puissance négatif et contribue à une durée de vie prolongée des cycles de puissance.

Tableau 1. Résultats de simulation thermique dans les conditions de fonctionnement des convertisseurs éoliens

Conclusions

Le module IGBT de 2,5 kV avec boîtier LV100 et structure SLC+ représente un bond en avant dans la conception de l’électronique de puissance pour les applications d’énergie renouvelable. En relevant les défis clés liés aux cycles thermiques et de puissance, à la densité de puissance, à l’efficacité élevée et aux défaillances induites par les rayons cosmiques, ce module offre une solution fiable et efficace pour les applications renouvelables avec des systèmes d’onduleurs de 1500 Vdc ou 1000 Vac.

La capacité de cycle de puissance améliorée du module, associée à une robustesse LTDS élevée et à des caractéristiques d’efficacité élevée, le rend particulièrement bien adapté aux systèmes d’énergie renouvelable exigeants. Alors que l’industrie continue de pousser vers une plus grande efficacité et fiabilité, des innovations comme la structure SLC+ joueront un rôle essentiel pour garantir que l’électronique de puissance puisse répondre à ces exigences.

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