Mesurer la perte de conduction des IGBT pour maximiser l'efficacité

Introduction

Les performances et l'efficacité d'un transistor bipolaire à barrière isolée peuvent être quantifiées par sa perte de commutation lors de la transition entre l'état ON et OFF et sa perte de conduction. Les IGBT hautes performances sont généralement construits avec un IGBT et une diode dans le même boîtier semi-conducteur. L'IGBT et la diode contribuent chacun aux pertes combinées et leurs interactions doivent être prises en compte.

Les pertes de conduction des IGBT et des diodes sont le résultat du courant circulant dans le collecteur ou de la tension à l'état passant (saturation et tension d'anode) pendant le cycle de conduction. Ce livre blanc présentera l'un des moyens les plus efficaces de réduire les pertes de commutation grâce à la manipulation des formes d'onde de tension et de courant d'un IGBT pendant les phases de mise sous tension et hors tension. Il illustrera également comment cette approche permet de réduire considérablement, voire d’éliminer, les pertes qui surviennent pendant la période de chevauchement.

Notions de base sur les IGBT

La structure d’un IGBT mérite une exploration supplémentaire pour établir une base pour l'analyse. Il y a quelques décennies, lorsque les IGBT ont été introduits pour la première fois, ils ont été développés comme un dispositif de commutation combinant le MOSFET contrôlé en tension à sa grille avec le transistor à jonction bipolaire contrôlé en courant à son collecteur et à son émetteur. Cette conception combine efficacement les avantages de deux dispositifs de commutation éprouvés pour créer un dispositif bipolaire à tension contrôlée. La figure 1 montre le circuit équivalent IGBT, dans lequel la grille est un MOSFET et l'étage de sortie est un dispositif à porteurs minoritaires bipolaires PNP. De plus, un IGBT est représenté sur la figure 2 dans un circuit de test étiqueté avec des paramètres d'intérêt.

Contrôle des chutes de tag VOL

Un IGBT a une chute de tension fixe qui n'est pas proportionnelle au courant qu'il conduit. Ceci est différent d’un MOSFET qui a une chute de tension qui peut être mesurée comme sa résistance de canal multipliée par le courant. Étant donné qu'un MOSFET est un dispositif à porteurs majoritaires, il utilise un canal de conduction implémenté avec son propre type de porteurs – généralement un dispositif de puissance à canal N conducteur avec des électrons. Le MOSFET contrôle le flux de courant en modifiant la résistance du canal, tandis qu'un transistor bipolaire contrôle le courant en modifiant les porteurs injectés.

Ces effets sont optimisés en interne lors de la conception des jonctions semi-conductrices et des concentrations de dopage des différentes régions. En particulier, la résistance du canal MOSFET est réduite pour augmenter le courant de base PNP, ce qui réduit par la suite la quantité de charges P nécessaires pour obtenir la même chute de tension à travers l'IGBT. Cela réduira également la charge stockée et le courant de queue. Par ailleurs, la réduction de l’épaisseur de la base PNP contribue à produire ces résultats positifs.

Surmonter les défauts et les courants de queue

Un IGBT est le dispositif de choix pour les applications à courant moyen à élevé et à haute tension. Dans les applications à commutation dure et les variateurs à onduleur, un IGBT peut transmettre plus de courant qu'un MOSFET autonome dans un boîtier de taille similaire. Les avantages secondaires de cette solution sont une capacité d’entrée réduite et un coût réduit. En général, un IGBT offre une perte de conduction accrue par rapport à un MOSFET en raison de la contribution du courant de collecteur de l'IGBT par rapport au courant de drain au carré du MOSFET.

Cependant, les IGBT sont connus pour avoir des pertes de commutation plus importantes que les MOSFET. Cela signifie que les IGBT sont mieux adaptés aux applications avec une fréquence de commutation plus faible en raison de la sortie bipolaire à porteurs minoritaires. Plus précisément, la transition entre les états n’est pas instantanée. La charge stockée dans le BJT interne crée un courant de « queue » pendant un court « temps de queue » jusqu'à ce que tous les porteurs minoritaires aient été supprimés. Lors de l'optimisation de l'efficacité du dispositif, le temps de queue dicte la fréquence de commutation maximale autorisée afin que les pertes de commutation restent raisonnables. Il existe un compromis entre le temps de queue et la chute de tension directe de la diode. Il est souhaitable de réduire le temps de queue et la chute de tension directe pour permettre aux IGBT de fonctionner efficacement - plus près de l'extrémité supérieure de la plage commune de 4 kHz à 20 kHz.

Dans de nombreuses applications d'électroménagers, la fréquence souhaitée est de 20 kHz, en grande partie en raison du bruit audible généré par l'appareil qui n'est pas détectable par l'oreille humaine. Dans les entraînements de moteur et les applications à commutation dure qui ne nécessitent pas de transformateur d'isolement, il n'y a aucun avantage à dépasser la plage audible puisque la fréquence plus élevée n'augmenterait pas l'efficacité de la conception du moteur. Cela renforce l'IGBT comme le choix optimal dans les entraînements de moteurs et les applications à commutation dure.

Le chevauchement provoque une perte de commutation

La robustesse de la conception des puces, la perte de commutation à l'arrêt et la perte de tension à l'état passant sont les principaux compromis dans la conception des IGBT. Il est important de mesurer et de comprendre les interactions des formes d'onde de tension, de courant et de perte pendant le fonctionnement normal de l'IGBT afin de manipuler les paramètres et ainsi maximiser l'efficacité de l'IGBT dans diverses applications.

Dans les applications qui utilisent des IGBT comme commutateurs durs, il existe une période définie de perte de puissance à chaque transition de OFF à ON ou de ON à OFF. Cela est dû à l'apparition de tension sur les connexions collecteur-émetteur du commutateur pendant que le courant circule dans l'IGBT. La figure 3 illustre la tension, le courant et la perte subis autour et à chacune de ces transitions.

Les formes d'onde de tension et de courant sont multipliées à chaque point pour obtenir la forme d'onde de perte de puissance instantanée. Il convient de noter la forte perte de puissance lors de la commutation. Étant donné que la puissance perdue pour chaque transition de commutation est constante et que la transition de commutation est constante, la perte de puissance de commutation augmente avec la fréquence de commutation. Par conséquent, des fréquences plus basses réduisent la perte de commutation totale. Les IGBT Bourns® sont construits à l'aide de la technologie Trench-Gate Field-Stop (TGFS). La structure Trench-Gate (TG) entraîne une densité de canal plus élevée dans la partie MOSFET du dispositif. De plus, la technologie TGFS permet de réduire la chute de tension à l'état passant par rapport à une structure IGBT planaire. Cela contribue à réduire les pertes de conduction. La présence de la couche Field-Stop (FS) contribue également à réduire l'énergie de commutation totale. Le FS contribue également à augmenter le gain et à réduire la durée de vie des porteurs minoritaires, ce qui entraîne l'extinction du courant de queue lorsque l'IGBT est désactivé. Cela contribue également à augmenter la vitesse de l'appareil par rapport à un appareil de dimensions similaires mais sans la couche FS.

Détermination de la perte de conduction

Chaque fois qu'un IGBT ou sa diode de récupération rapide co-packagée est allumé et conduit le courant, il y aura une perte de conduction. Cette perte est caractérisée comme une dissipation de puissance et est obtenue en multipliant la tension à l'état ON par le courant à l'état ON. Dans les applications basées sur la technologie de modulation de largeur d'impulsion (PWM), le facteur de service doit être inclus en tant que multiplicateur afin d'arriver à la puissance dissipée moyenne.

Le premier endroit où rechercher l’approximation des pertes de conduction est les fiches techniques des IGBT et diode de roue libre. L'IGBT a une tension nominale (V_CE(sat)) basée sur la température, et la multiplication de cette valeur par le courant moyen attendu de l'appareil pour l'application donne la puissance dissipée approximative pour l'IGBT. De même, la fiche technique de la diode à roue libre aura une chute de tension directe (V_f) qui peut être multipliée par le courant moyen attendu de la diode pour obtenir sa contribution à la puissance dissipée globale. Les cycles de service doivent être pris en compte pour obtenir la meilleure approximation pour les applications PWM. Ces estimations ont tendance à être prudentes puisque le V_CE(sat) en pratique sera inférieur à la valeur de la fiche technique lorsque le courant est inférieur au courant nominal (I_C).

À des fréquences de commutation inférieures à 10 kHz, la majorité de la perte de puissance totale provient de la perte par conduction. La faible perte de conduction résulte du mécanisme de conduction caractéristique d'un transistor de puissance bipolaire négatif-positif-négatif (NPN), qui présente une tension V_CE presque constante avec le courant du collecteur. Ceci est contraire à un canal à faible résistance comme dans le MOSFET, où la chute de tension est calculée en multipliant le courant par la résistance. Traditionnellement ignorée en raison de sa contribution négligeable à la perte de puissance totale, la perte de blocage de l'IGBT peut être calculée en multipliant la tension de blocage et le courant de fuite lorsque l'IGBT est éteint.

Étant donné que la perte de conduction domine la perte totale dans les applications de contrôle de moteur, la tension de saturation et la chute de tension directe deviennent des variables critiques dans la conception. V_CE(sat) doit être réduit autant que possible en raison de la faible commutation de vitesse caractéristique des applications de moteur. Un compromis d'application populaire entre la chute de tension directe et la commutation de vitesse est souvent utilisé pour améliorer la capacité de court-circuit.

Bas et lent

La question se pose alors de savoir comment réduire le V_CE. La réponse est avec un entraînement de grille plus robuste, une tension plus élevée (V_CC), un courant de fonctionnement plus faible et une impédance de pilotage de grille réduite.

Comme indiqué précédemment, l'IGBT présente des limitations de commutation de vitesse en raison du temps de queue de l'appareil. Les temps de queue peuvent être réduits si la V_CE(sat) de l'appareil est plus élevée. Cependant, ce compromis n’en vaut peut-être pas la peine. En général, il existe une relation inverse entre les porteuses et à la fois la V_CE(sat) et la fréquence de commutation. La présence de plus de porteuses entraînera une fréquence de commutation plus lente avec un V_{CE(sat) plus faible}. À l'inverse, un nombre réduit de porteuses entraîne une V_CE(sat) plus élevée et une fréquence de commutation plus élevée. Plusieurs technologies ont été développées pour tenter d’optimiser à la fois les temps de commutation et la chute de tension directe tout en offrant une capacité de court-circuit robuste.

Visualiser les pertes

La figure 4 illustre les paramètres fondamentaux de la perte de commutation et de la perte de conduction sur un cycle de commutation complet. Notez que la transition est considérée comme efficace aux niveaux de 10 % et 90 % de V_GE, I_C et V_CE. Lorsque la tension grille-émetteur (V_GE) atteint le niveau de 10 %, la transition vers la mise sous tension commence. Les retards sont mesurés lorsque les formes d’onde franchissent ces niveaux de 10 % et 90 %.

Le temps nécessaire à l'IGBT pour passer en mode ON est donné par t3-t0. Le délai entre le moment où V_GE atteint 10 % et le temps nécessaire à I_C pour atteindre 10 % est donné par t1-t0. Le temps de montée est le temps qu'il faut à I_C pour passer de 10 % à 90 %, donné par t2-t1.

La valeur E_on est la perte d'énergie à la mise en marche, qui est l'aire sous la courbe de la forme d'onde de perte de puissance de 10 % de la montée I_C , t1, à 90 % de la chute V_CE, t3-t1. La forme d'onde de perte de puissance est calculée en multipliant I_C et V_CE à chaque instant et est approximée par la zone ombrée sous E_on et E_off. La valeur E_off est l'énergie de coupure donnée par l'aire sous la courbe de 10 % de montée V_CE, t6, à 90 % de descente I_C, t7.

Le délai de début de transition de tension vers un niveau élevé afin de désactiver l'IGBT est donné par t6-t5. En regardant la transition de 90 % V_GE à 10 % I_C, le temps est donné par t7-t5. Le délai entre le moment où I_C chute de 90 % à 10 % est le temps de descente, donné par t7-t6. Enfin, le temps de queue est indiqué par le courant de collecteur de queue qui existe à partir du moment où I_C tombe à la barre des 10 % jusqu'à ce que toutes les charges aient été éliminées et que le courant atteigne zéro. Cela peut être mesuré comme la différence entre t8 et t7.

Conclusion

En résumé, les pertes de puissance à prendre en compte dans un dispositif de commutation de puissance sont les suivantes : perte de conduction, perte de commutation à la mise sous tension, perte de commutation à la mise hors tension et perte de blocage. Les calculs et les formes d’onde présentés dans cet article ont été développés pour aider les concepteurs à comprendre les effets de divers paramètres IGBT et leur impact sur la perte de puissance et l’efficacité globale. Pour une analyse pratique ou spécifique à l'application, un banc d'essai peut être utilisé pour évaluer les performances et mesurer les formes d'onde généralement rencontrées avec les IGBT. À mesure que la technologie intégrée aux IGBT continue de gagner en efficacité et en robustesse, la gamme d’applications des IGBT devrait s’élargir. Les compromis resteront cohérents et la perte de puissance dominante continuera d’être la perte de commutation ou la perte de conduction. La mesure et la manipulation des paramètres IGBT permettent aux concepteurs de maximiser l'utilité et les avantages de l'application du dispositif.

Ressources complémentaires

• Note d'application : Obtenir une densité de puissance et un rendement plus élevés en utilisant des IGBT discrets dans les applications de soudage électrique par points
• Note d'application : Avantages de la protection de la commutation de l'IGBT à l'aide de diodes TVS et PTVS
• Considérations lors de la spécification des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) pour les commandes de moteurs électriques
• Utilisation des IGBT comme commutateurs dans les blocs fonctionnels d'alimentation sans interruption
• IGBT dans les applications à changement de fréquence
• Pourquoi les transistors IGBT à grille à tranchée sont le choix optimal pour la conversion de tension des onduleurs solaires
• Pourquoi les IGBT sont des solutions de commutation électronique optimales pour les applications de chauffage par induction
• Fiche produit : Transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) de la série Bourns modèle BID
• Guide des produits IGBT Bourns série BID
• Livre blanc Bourns IGBT vs MOSFET : Déterminer la solution de commutation de puissance la plus efficace
• Livre blanc sur la compréhension des paramètres de la fiche technique des IGBT
• Livre blanc sur la mesure de la perte de conduction des IGBT pour maximiser l'efficacité
• Livre blanc sur la perte de récupération inverse rapide des IGBT
• Brochure abrégée du guide des composants d'alimentation Bourns®