Les ingénieurs peuvent ignorer les inconvénients des semi-conducteurs à commutation rapide. Il est important de considérer ces risques potentiels car ils affectent le système d’isolation et de développer des équipements de test fiables.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Le développement des semi-conducteurs de puissance, en particulier ceux à large bande interdite (WBG), a fortement progressé, entraînant des tensions de blocage plus élevées, des pertes de commutation réduites grâce à des temps de commutation plus rapides et la possibilité de créer des systèmes plus compacts en réduisant les composants passifs et en optimisant l’espace dans les systèmes électroniques de puissance.
Malgré ces avantages, de nombreux développeurs et ingénieurs systèmes ignorent les inconvénients potentiels des semi-conducteurs à commutation rapide. Le développement des semi-conducteurs de puissance rapides comporte de nouveaux risques et défis pour les systèmes électriques établis, en particulier le système d’isolation. Il est important de considérer ces menaces potentielles et de développer des équipements de test fiables.
Banc de Test de Générateur d’Impulsions dv/dt Haute Tension
Une topologie de circuit doit générer des pentes et des amplitudes élevées pour développer l’équipement de test requis tout en assurant un fonctionnement permanent et non destructif. Saxogy a développé un concept de circuit innovant au cours des deux dernières années qui répond aux nouvelles exigences de charge pour un système de test d’isolation haute tension évolutif pour diverses applications. La Figure 1 présente les composants matériels du générateur d’impulsions, et la Figure 2 montre un prototype d’un banc de test complet.
Les solutions traditionnelles atteignent leurs limites en raison des composants à commutation rapide. Pour éviter de surcharger notre système et de risquer sa destruction, il a été conçu comme un système multi-niveaux et développé avec une approche stricte d’isolation. Sans dépasser le niveau d’utilisation standard des composants, nous atteignons des pentes de tension souvent plusieurs fois plus grandes que d’habitude.
Figure 1. Générateur HV à pente réglable de SAXOGY. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
En raison de la haute dv/dt requise et de l’excellente ajustabilité, il est rapidement devenu évident que des SiC-MOSFETs devaient être utilisés. Cependant, comme aucun appareil unique ne répondait aux exigences concernant la tension de claquage, plusieurs appareils standard devaient être connectés en série. La connexion directe en série est complexe, nécessitant une topologie en H en cascade basée sur des cellules.
La commutation simultanée de cellules individuelles peut augmenter considérablement la pente de tension de sortie, en fonction du nombre de cellules utilisées. Par exemple, si une seule cellule commute avec une pente de 20 kV/μs, cette pente peut tripler à 60 kV/μs si trois cellules génèrent la tension de sortie.
Traditionnellement, la topologie H en cascade nécessite des transformateurs individuels dans chaque cellule pour l’alimentation. Cependant, ces transformateurs présentent des capacités de couplage élevées et des courants de déplacement croissants. Cela peut risquer d’endommager l’isolation et finalement conduire à une défaillance du transformateur au fil du temps. Par conséquent, Saxogy a inventé une topologie innovante qui fonctionne avec une seule alimentation électrique et peut, en même temps, être étendue pour des niveaux de tension plus élevés.
La topologie de l’onduleur est étendue avec un chemin de charge supplémentaire. Selon le principe de la « chaîne de seaux », l’énergie est transférée de l’unité d’alimentation à la première cellule, puis à la deuxième cellule. Ce processus se poursuit jusqu’à ce que la cellule supérieure du système soit également rechargée, et la séquence de charge recommence. Pour que la recharge de deux cellules fonctionne, une cellule agit comme une cellule de charge et ne peut fournir aucune tension en sortie pendant la durée de la charge. La tension de la cellule peut être maintenue en adaptant la fréquence de charge à l’application.
Figure 2. Exemple d’un prototype précoce de banc de test. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 3 montre la topologie du générateur d’impulsions dv/dt de Saxogy utilisant un système à trois niveaux avec une tension d’alimentation de 750 volts. La configuration de commutation pour une tension de sortie positive et la charge de la cellule deux est montrée. La cellule une fonctionne comme une cellule de charge et ne sort aucune tension mais est connectée en parallèle à la cellule 2 via l’interrupteur T5. Le flux de courant (flèche rouge) entre les capacités du lien DC est limité par une inductance limitant l’augmentation du courant et une diode dans le chemin de charge, ce qui empêche également les oscillations du circuit résonnant. Alternativement, une résistance limitant le courant peut être utilisée à la place de l’inductance, entraînant des pertes supplémentaires et réduisant l’efficacité de la recharge.
Figure 3. Topologie multi-niveau sans transformateur avancée de SAXOGY. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Définir le Niveau de Stress Correct
Grâce à la modularité de la topologie, la tension de sortie peut être ajustée en fonction des besoins de l’application. Pour couvrir les tests d’isolation actuels et futurs, le générateur peut fournir des tensions bipolaires de 0,4 kVpp à 12 kVpp.
La forme d’onde de tension rectangulaire peut être réglée sur une large plage allant de 2 kHz à 20 kHz pour appliquer un stress supplémentaire à l’échantillon de test et raccourcir la durée du test.
Le doublement des temps de montée réduit approximativement de moitié la durée de vie d’un système d’isolation. Pour varier le temps de montée, nous avons utilisé un haut niveau d’expertise pour ajuster dynamiquement la pente de tension dv/dt en temps réel à l’aide d’un driver de grille auto-développé. Cela garantit une pente de tension presque linéaire, entraînant un courant de déplacement constant sur toute la montée de tension.
Figure 4. Temps de montée réglables et dépassement optionnel via réseau passif. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Le driver de grille est conçu pour permettre un comportement de commutation qui maintient le dépassement de tension du générateur en dessous de 2%. La Figure 4 montre l’ajustabilité du gradient de tension à 1200 V et la pente de tension presque linéaire en affichant trois des seize réglages de gradient de tension. Pour étendre la gamme d’applications du générateur dv/dt haute tension, un dépassement supplémentaire peut être généré en utilisant des réseaux RL passifs externes (traits en pointillés). Cela permet de tester les enroulements de moteurs dans des scénarios de cas extrême.
Le générateur est adressé via Modbus TCP et est facile à utiliser.
Les générateurs d’impulsions sont personnalisés selon vos besoins pour créer un banc de test optimal. Ils sont disponibles en différentes versions, toutes logées dans un boîtier montable en rack de 19 pouces. La variante la plus adaptée dépend de vos besoins et des coûts d’intégration associés.
Figure 5. Options disponibles pour le générateur d’impulsions HV dv/dt. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est co-écrit par Konrad Domes, Philipp Berkemeier et Felix Schönlebe de Saxogy Power Electronics GmbH et Benjamin Sahan, Christian Staubach, Kevin Kaczmarek et Stefan Reddig de l’Université des Sciences Appliquées de Hanovre.