La valeur souvent citée de I2t décrit la capacité d’un semi-conducteur de puissance à résister aux événements de courant d’ascension. Cependant, la dépendance à la forme du courant est généralement négligée. Cet article présente une brève introduction à un testeur de courant d’ascension avec une forme d’onde de courant de sortie arbitraire et un ondulation de courant de sortie exceptionnellement faible, ce qui permet de réaliser une large gamme de tests de courant d’ascension.
Ce article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec les Systèmes de Puissance Bodo.
La valeur souvent citée de I2t décrit la capacité d’un semi-conducteur de puissance à résister aux événements de courant d’ascension. Cependant, la dépendance à la forme du courant est généralement négligée. Cet article présente une brève introduction à un testeur de courant d’ascension avec une forme d’onde de courant de sortie arbitraire et un ondulation de courant de sortie exceptionnellement faible, ce qui permet de réaliser une large gamme de tests de courant d’ascension.
La capacité de résistance au courant d’ascension est un atout crucial pour les semi-conducteurs de puissance, en particulier en cas d’événements de faute. La capacité de surcharge des semi-conducteurs de puissance est quantifiée par le courant d’ascension maximal ITSM et la valeur I2t. Ces deux paramètres sont définis pour une impulsion de courant semi-sinusoidal avec une durée d’impulsion TP = 10 ms. Cependant, cette définition ne prend pas en compte les différentes formes d’onde de courant ou les surtensions multipulses.
Pour réaliser des expériences couvrant une large gamme d’applications, un éventail d’amplitudes, de durées d’impulsions et de formes d’onde est nécessaire. Les solutions standard bien connues utilisant des composants passifs (par exemple, des circuits résonnants ou des circuits de décharge de condensateurs) ne répondent pas à ces exigences, car elles ne peuvent réaliser que des formes d’onde de courant fixes dont les fréquences et les constantes de temps dépendent des composants passifs utilisés.
Des alternatives utilisant des interrupteurs actifs existent, mais présentent leurs propres inconvénients. Un exemple est la parallélisation massive de MOSFETs utilisés comme amplificateurs analogiques, permettant une forme d’onde de courant programmable mais entraînant des pertes très élevées, ce qui limite la durée des impulsions et la fréquence de répétition.
Conception de la Source de Courant d’Aspiration
Les exigences pour la source de courant d’ascension présentée dans cet article incluent une forme d’onde de courant librement programmable avec une amplitude maximale bien au-delà des courants de pointe maximum courants typiques des thyristors, pouvant dépasser 90 kA. Pour réaliser des trains d’impulsions correspondant à plusieurs périodes de fréquence 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 le dispositif sous test (DUT).
Le Tableau 1 présente les paramètres clés de la source de courant d’ascension. Pour répondre aux exigences, une approche modulaire a été choisie : la source de courant est composée de 16 cellules, chacune composée de deux demi-ponts IGBT, d’un condensateur de liaison continue CDC = 9 mF, et d’une inductance de sortie Lout = 50 μH par demi-pont.
Tableau 1. Paramètres clés de la source de courant d’ascension
| Paramètre | Plage | Remarques |
| tension maximale du lien DC | 1200 V | basse tension, ( |
| max. tension IGBT | 1700 V | IGBT basse tension |
| max. énergie stockée ΣWC | 104 kJ | – |
| max. courant Ipk | 100 kA | – |
| max. ondulation de courant | 60 A | correspond à 0,06 % (à 100 kA) |
| min. temps de montée du courant tr | 380 µs | limite du contrôleur |
| max. diDUT⁄dt | 768 A/µs | limite matériel |
| 263 A/µs | résultant 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 représentée dans la Figure 1, ainsi que ses configurations de sortie possibles : Les cellules peuvent être utilisées comme deux demi-ponts indépendants en mode haute courant (HCM) ou comme un pont complet en mode courant dynamique (DCM).
Figure 1. Structure électrique de l’une des cellules du testeur de courant d’ascension (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, on peut voir une photographie de la configuration. 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 les forces magnétiques par un facteur de quatre. Les barres de cuivre de chaque côté sont maintenues ensemble avec des serre-câbles isolants pour résister aux forces magnétiques restantes.
Figure 2. Photographie de la source haute courant. Les parties mises en avant sont (a) la plateforme de contrôle, (b) l’une des 16 cellules, (c) inducteurs Lout, et (d) barres de bus haute courant. 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, y compris les mesures : 32x courant et 16x tension du lien DC, signaux de contrôle : 32x activation, 32x PWM, 32x retour 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 de cycle de commutation et de contrôle efficace de 96 kHz. Tous les signaux sont transmis par fibre optique.
Résultats des Tests Expérimentaux
Les performances du testeur de courant d’ascension ont été évaluées 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 semi-sinusoidal avec différentes amplitudes peut être observée et réalisée en HCM. Puisque les cellules sont configurées en demi-ponts en HCM, la pente descendante du courant est uniquement déterminée par les pertes dans le système. En DCM, en revanche, les cellules sont configurées en pont complet, 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 la trajectoire de courant cible i*DUT. Charge en 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 du DUT traçant un profil de la Frauenkirche à Dresde. Source de la photographie : Thyristor en charge. DCM. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Testeur de Courant d’Ascension Modulaire
Cet article est une brève introduction au testeur de courant d’ascension programmable et modulaire récemment construit par les auteurs. Les principes de base et les capacités de la source de courant sont décrits et démontrés par des résultats de tests expérimentaux.
Cet article est paru 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, Université Technique de Dresde, Chaire d’Électronique de Puissance.