La valeur I2t, souvent citée, décrit la capacité d’un semi-conducteur de puissance à résister aux événements de courant de sursaut. Cependant, la dépendance à la forme du courant est généralement négligée. Cet article propose une brève introduction à un testeur de courant de sursaut avec une forme d’onde de courant de sortie arbitraire et un ondulation de courant de sortie exceptionnellement faible, permettant une large gamme de tests de courant de sursaut.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
La valeur I2t, souvent citée, décrit la capacité d’un semi-conducteur de puissance à résister aux événements de courant de sursaut. Cependant, la dépendance à la forme du courant est généralement négligée. Cet article propose une brève introduction à un testeur de courant de sursaut avec une forme d’onde de courant de sortie arbitraire et une ondulation de courant de sortie exceptionnellement faible, permettant une large gamme de tests de courant de sursaut.
La capacité de résistance aux courants de sursaut est une caractéristique importante pour les semi-conducteurs de puissance, par exemple en cas d’événement de défaut. La capacité en surintensité des semi-conducteurs de puissance est quantifiée par le courant de sursaut maximum ITSM et la valeur I2t. Les deux paramètres sont définis pour une impulsion de courant semi-sinusoidale avec une durée d’impulsion TP = 10 ms. Cependant, cette définition ne prend pas en compte différentes formes d’onde de courant ou les sursauts multipolaires.
Pour réaliser des expériences dans une large gamme d’applications, une grande variété d’amplitudes, de durées d’impulsion et de formes d’onde est nécessaire. Les solutions standards bien connues utilisant des composants passifs (par exemple, circuits résonnants ou décharge de condensateur) ne répondent pas à ces exigences, car elles ne peuvent réaliser que des formes d’onde de courant fixes avec des fréquences et des constantes de temps dépendant des composants passifs utilisés.
Des alternatives utilisant des interrupteurs actifs existent, mais présentent leurs propres inconvénients. Un exemple est la massive parallélisation des MOSFET utilisés comme amplificateurs analogiques, ce qui permet une forme d’onde de courant programmable mais entraîne des pertes très élevées, limitant ainsi la durée d’impulsion et le taux de répétition.
Conception de la source de courant de sursaut
Les exigences pour la source de courant de sursaut présentée dans cet article incluent une forme d’onde de courant programmée librement avec une amplitude maximale dépassant les courants de crête maximum typiques des thyristors, pouvant atteindre plus de 90 kA. Pour réaliser des trains d’impulsions correspondant à plusieurs périodes de fréquence de réseau, des largeurs d’impulsion de plusieurs dizaines de ms sont requises. D’autres exigences incluent une grande précision et une faible ondulation de courant sur l’appareil sous test (DUT).
Le tableau 1 présente les paramètres clés de la source de courant de sursaut. Pour répondre à ces exigences, une approche modulaire a été choisie : la source de courant est composée de 16 cellules, chacune constituée de deux demi-ponts IGBT, d’un condensateur de liaison CDC = 9 mF et d’une inductance de sortie Lout = 50 μH par demi-pont.
Tableau 1. Paramètres clés de la source de courant de sursaut
| Paramètre | Plage | Notes |
| tension maximale de la liaison DC | 1200 V | tension basse, (<1500 V DC) |
| tension max. IGBT | 1700 V | IGBT à basse tension |
| énergie maximale stockée ΣWC | 104 kJ | – |
| courant max. Ipk | 100 kA | – |
| ondulation de courant max. | 60 A | égale à 0,06 % (à 100 kA) |
| temps de montée de courant min. tr | 380 µs | limite du contrôleur |
| maximum diDUT/dt | 768 A/µs | limite matérielle |
| 263 A/µs | découlant de tr (à 100 kA) | |
| largeur d’impulsion Tp | ≈ 1 ms … ≈ 100 ms | largeur min/max, dépendante de la forme d’onde, du courant de pointe et du DUT |
La structure d’une cellule est illustrée dans la Figure 1, avec ses configurations de sortie possibles : les cellules peuvent être utilisées comme deux demi-ponts indépendants en mode courant élevé (HCM) ou comme un pont complet en mode courant dynamique (DCM).
Figure 1. Structure électrique d’une des cellules du testeur de courant de sursaut (a). Les cellules peuvent être configurées en HCM (b) ou en DCM (c). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Dans la Figure 2, une photographie de l’installation peut être vue. Mécaniquement, la source de courant est divisée en deux moitiés, chacune contenant 8 cellules. Pour limiter les forces magnétiques, le courant total ne circule que dans le DUT lui-même. Les barres de cuivre reliant huit cellules par côté au DUT ne transportent que la moitié du courant, réduisant ainsi les forces magnétiques par un facteur de quatre. Les barres de cuivre de chaque côté sont maintenues ensemble par des pinces isolantes pour résister aux forces magnétiques restantes.
Figure 2. Photographie de la source de courant élevé. Les parties mises en évidence sont (a) la plateforme de contrôle, (b) une des 16 cellules, (c) inducteurs Lout, et (d) barres omnibus de courant élevé. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La plateforme de contrôle, voir Figure 2(a), est responsable de la communication avec l’ordinateur de l’opérateur et exécute les algorithmes de contrôle. Elle gère une multitude de signaux. Cela inclut des mesures : 32x courant et 16x tension de liaison DC, des signaux de contrôle : 32x activation, 32x PWM, 32x rétroaction GDU ainsi que des signaux auxiliaires : 2x détection d’arc, 4x relais de décharge, 16x horloge delta-sigma. Les demi-ponts sont commutés de manière entrelacée avec une fréquence efficace de cycle de commutation et de contrôle de 96 kHz. Tous les signaux sont transmis par fibre optique.
Résultats des tests expérimentaux
La performance du testeur de courant de sursaut a été évaluée par de nombreuses expériences pratiques, à la fois en HCM et en DCM. Deux exemples sont présentés ici. Dans la Figure 3, une comparaison de pulsations de courant demi-sinus avec différentes amplitudes peut être observée, réalisée en HCM. Étant donné que les cellules sont configurées comme des demi-ponts en HCM, la pente de courant descendante est uniquement déterminée par les pertes dans le système. En DCM, en revanche, les cellules sont configurées comme des ponts complets, ce qui permet des tensions de sortie négatives et donc un diDUT/dt négatif contrôlé.
Figure 3. Comparaison du courant iDUT mesuré par la plateforme de contrôle et de la trajectoire de courant cible i*DUT. Charge de court-circuit. HCM. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 4 montre une forme d’onde ressemblant au profil de la Frauenkirche à Dresde.
Figure 4. Exemple d’une forme d’onde de courant dynamique : le courant DUT traçant le profil de la Frauenkirche à Dresde. Source de la photographie : Thyristor comme charge. DCM. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Testeur de courant de sursaut modulaire
Cet article constitue une brève introduction au testeur de courant de sursaut modulaire et programmable récemment construit par les auteurs. Les principes de base et les capacités de la source de courant sont décrits et illustrés par les résultats des tests expérimentaux.
Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est coécrit par Stefan Wettengel, Andreas Hoffmann, Jonas Kienast, Lars Lindenmüller et Steffen Bernet, de l’Université Technique de Dresde, chaire d’électronique de puissance.