Simplifier la conception des entraînements moteurs et des onduleurs avec des modules IGBT

L'utilisation de moteurs et d'onduleurs ne cesse de croître dans les applications telles que l'automatisation industrielle, la robotique, les véhicules électriques, l'énergie solaire, les produits blancs et les outils électriques. Parallèlement à cette croissance, il est nécessaire d'améliorer le rendement, de réduire les coûts, de diminuer l'encombrement et de simplifier la conception globale. Bien qu'il soit tentant de concevoir une électronique de puissance de moteur et d'onduleur personnalisée utilisant des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) discrets pour répondre à des besoins spécifiques, cela peut s'avérer coûteux à long terme et retarder les calendriers de conception.

Au lieu de cela, les concepteurs peuvent utiliser des modules IGBT prêts à l'emploi qui combinent plusieurs dispositifs de puissance dans un seul boîtier. Ces modules répondent au besoin des concepteurs de développer des systèmes compacts avec un minimum d'interconnexions, pour simplifier l'assemblage, réduire les coûts et les délais de mise sur le marché, et améliorer les performances globales. Associés à un circuit d'attaque IGBT approprié, les modules IGBT permettent de développer des entraînements moteurs et des onduleurs efficaces et rentables.

Cet article décrit brièvement les moteurs électriques et les onduleurs ainsi que les circuits d'entraînement et les exigences de performances associés. Il examine ensuite les avantages de l'utilisation de modules IGBT et de diverses normes de conditionnement de modules avant de présenter des options de conception d'entraînements moteurs et d'onduleurs reposant sur des modules IGBT et des circuits d'attaque de fournisseurs tels que NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics et ON Semiconductor, et la manière de les appliquer, y compris l'utilisation de cartes d'évaluation.

Types de moteurs et normes de rendement

La norme CEI/EN 60034-30 divise le rendement moteur en 5 classes, IE1 à IE5. L'association NEMA (National Electrical Manufacturers Association) dispose d'une échelle d'évaluation correspondante s'étendant de rendement standard à rendement ultra-premium (Figure 1). L'utilisation d'entraînements électroniques est nécessaire pour répondre aux normes de rendement plus élevées. Les moteurs à induction CA avec des entraînements électroniques peuvent répondre aux exigences IE3 et IE4. Des moteurs à aimant permanent et des entraînements électroniques plus coûteux sont nécessaires pour atteindre les niveaux de rendement IE5.

Figure 1 : Classes de rendement moteur selon la norme CEI/EN 60034-30 (IE1 à IE5) et les indices NEMA correspondants (du rendement standard au rendement ultra-premium). Les moteurs à induction CA avec FOC et les entraînements électroniques peuvent répondre aux exigences IE3 et IE4. Des moteurs à aimants permanents sont requis pour atteindre les niveaux de rendement IE5. (Source de l'image : ECN)

Le développement de microcontrôleurs (MCU) à faible coût a permis aux concepteurs d'utiliser le contrôle vectoriel, également appelé contrôle à champ orienté (FOC), une méthode de contrôle de variateur de fréquence (VFD) dans laquelle les courants de stator d'un moteur CA triphasé sont identifiés comme deux composantes orthogonales pouvant être visualisées avec un vecteur. Un contrôleur proportionnel-intégral (PI) peut être utilisé pour maintenir les composantes de courant mesurées à leurs valeurs souhaitées. La modulation de largeur d'impulsion (PWM) du variateur de fréquence définit la commutation des transistors en fonction des références de tension de stator fournies par les contrôleurs de courant PI.

Développé à l'origine pour les systèmes hautes performances, le contrôle à champ orienté devient de plus en plus attractif pour les applications à faible coût en raison de la taille de son moteur, de son coût inférieur et de sa consommation d'énergie réduite. Avec la disponibilité croissante de microcontrôleurs économiques hautes performances, le contrôle à champ orienté remplace de plus en plus le contrôle scalaire à une variable volts par Hertz (V/f), moins performant.

Il existe deux principaux types de moteurs à aimants permanents en usage aujourd'hui, les moteurs CC sans balais (BLDC) et les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM). Ces deux conceptions de moteurs avancés requièrent une électronique de puissance pour l'entraînement et le contrôle.

Les moteurs BLDC sont durables, efficaces et rentables. Les moteurs PMSM ont les attributs des moteurs BLDC avec un bruit plus faible et un rendement un peu plus élevé. Les deux types de moteurs sont fréquemment utilisés avec des capteurs à effet Hall mais ils peuvent également être utilisés dans des conceptions sans capteur. Les moteurs PMSM sont utilisés dans les applications qui exigent les plus hauts niveaux de performances, tandis que les moteurs BLDC sont utilisés dans les conceptions plus sensibles aux coûts.

• Moteurs BLDC
  • Plus faciles à contrôler (6 pas) et seuls des courants CC sont requis
  • Ondulation de couple à la commutation
  • Coûts et performances inférieurs (par rapport aux moteurs PMSM)
• Moteurs PMSM
  • Généralement utilisés dans les servomoteurs avec un codeur d'arbre intégré
  • Contrôle plus complexe (PWM sinusoïdale triphasée requise)
  • Aucune ondulation de couple à la commutation
  • Rendement supérieur, couple supérieur
  • Coûts et performances plus élevés (par rapport aux moteurs BLDC)

Vue d'ensemble des onduleurs

Le rendement d'un onduleur indique la quantité de courant d'entrée continu qui est convertie en courant alternatif à la sortie. Les onduleurs à ondes sinusoïdales de haute qualité offrent un rendement de 90 % à 95 %. Les onduleurs à ondes sinusoïdales modifiées de qualité inférieure sont plus simples, moins chers et moins efficaces, généralement de l'ordre de 75 % à 85 %. Les onduleurs haute fréquence sont généralement plus efficaces que les modèles basse fréquence. Le rendement de l'onduleur dépend également de la charge de l'onduleur (Figure 2). Tous les onduleurs nécessitent des des contrôles et des entraînements électroniques de puissance.

Dans le cas des onduleurs photovoltaïques, il existe trois types de classement du rendement :

• Le rendement de crête indique les performances de l'onduleur à la sortie de puissance optimale. Il indique le point maximum pour un onduleur particulier et peut être utilisé comme critère de sa qualité (Figure 2).
• Le rendement européen est le nombre pondéré qui tient compte de la fréquence à laquelle l'onduleur fonctionne à différentes puissances de sortie. Il est parfois plus utile que le rendement de crête car il montre comment l'onduleur se comporte à différents niveaux de sortie au cours d'une journée solaire.
• Le rendement CEC (California Energy Commission) est également un rendement pondéré, similaire au rendement européen, mais il utilise des hypothèses différentes sur les facteurs de pondération.

La principale différence entre le rendement européen et le rendement CEC est que les hypothèses sur l'importance de chaque niveau de puissance pour un onduleur particulier sont basées sur les données de l'Europe centrale dans le premier cas, et de la Californie dans le second.

Figure 2 : Courbe de rendement typique d'un onduleur montrant le point de rendement de crête. (Source de l'image : Université d'État de Pennsylvanie)

Principes de base des IGBT

La fonction de base d'un IGBT est la commutation la plus rapide possible des courants électriques avec les pertes les plus faibles possibles. Un IGBT est un transistor bipolaire avec une structure de grille isolée ; la grille elle-même est simplement un MOSFET. Par conséquent, l'IGBT combine les avantages des forts courants admissibles et des hautes tensions de blocage d'un transistor bipolaire avec le contrôle capacitif basse consommation d'un MOSFET. La Figure 3 montre comment un MOSFET et un transistor bipolaire sont combinés pour former un IGBT.

Figure 3 : Structure conceptuelle d'un IGBT montrant le MOSFET qui constitue la grille isolée et la structure du transistor bipolaire qui représente la section de tenue en puissance. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Le fonctionnement fondamental d'un IGBT est simple : une tension positive U_GE entre la grille (G, sur la Figure 3) et l'émetteur (E) active le MOSFET. Ensuite, la tension connectée au collecteur (C) peut conduire le courant de base à travers le transistor bipolaire et le MOSFET ; le transistor bipolaire s'active et le courant de charge peut circuler. Une tension U_GE ≤ 0 volt (V) désactive le MOSFET, le courant de base est interrompu, et le transistor bipolaire se désactive également.

Bien que le concept soit simple, le développement de matériel pour contrôler un IGBT – un circuit d'attaque de grille – peut s'avérer une tâche complexe en raison des nombreuses nuances de performances dans les dispositifs et les circuits réels. La plupart du temps, cela n'est pas nécessaire. Les fabricants de semi-conducteurs proposent des circuits d'attaque de grille adaptés, dotés d'une grande variété de fonctions et de capacités, en tant que solutions intégrées. Il est donc important de faire correspondre les modules IGBT avec les circuits d'attaque de grille appropriés.

Les modules IGBT sont proposés dans une grande variété de boîtiers (Figure 4). Les modules les plus grands sont répertoriés pour 3300 V ou plus et sont destinés à être utilisés dans des installations de plusieurs mégawatts telles que les systèmes d'énergie renouvelable, les alimentations secourues et les très grands entraînements moteurs. Les modules de taille moyenne sont généralement répertoriés de 600 V à 1700 V pour diverses applications telles que les véhicules électriques, les entraînements moteurs industriels et les onduleurs solaires.

Figure 4 : Les modules IGBT sont proposés dans une grande variété de boîtiers. Les tensions nominales typiques s'étendent de 600 V à 3300 V. (Source de l'image : Fuji Electric)

Les dispositifs les plus petits sont appelés modules de puissance intégrés et sont conçus pour 600 V. Ils peuvent inclure des circuits d'attaque de grille intégrés et d'autres composants pour les entraînements moteurs dans les petits systèmes industriels et les produits blancs grand public. Les IGBT fonctionnent à des niveaux de puissance plus élevés et à des fréquences de commutation plus basses que les autres types de composants de commutation de puissance (Figure 5).

Figure 5 : Plage de puissance par rapport à la fréquence de commutation pour les dispositifs de commutation de puissance courants. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Carte d'évaluation de module IGBT pour les onduleurs de traction

Pour les concepteurs d'onduleurs de traction haute tension, NXP Semiconductors propose la carte d'évaluation de gestion de puissance du circuit d'attaque de grille FRDMGD3100HBIEVM utilisant son circuit intégré d'attaque de grille en demi-pont MC33GD3100A3EK. Cette carte d'évaluation est spécialement conçue pour être utilisée avec le module IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 d'Infineon (Figure 6). Il s'agit d'une solution complète qui inclut les circuits d'attaque de grille en demi-pont, le condensateur de liaison CC et la carte de translateur pour la connexion à un PC fournissant les signaux de commande. Les applications cibles incluent :

• Moteurs de traction de véhicules électriques et convertisseurs CC/CC haute tension
• Chargeurs externes et chargeurs embarqués de véhicules électriques
• Autres applications de commande moteur CA haute tension

Figure 6 : Carte d'évaluation de gestion de puissance du circuit d'attaque de grille FRDMGD3100HBIEVM de NXP, reliée au module IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 d'Infineon, montrant la position du MC33GD3100A3EK, des circuits intégrés d'attaque de grille en demi-pont, du condensateur de liaison CC et de la carte de translateur pour la connexion à un PC fournissant les signaux de commande. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Circuit d'attaque pour modules IGBT de 150 mm x 62 mm x 17 mm

Pour les concepteurs d'entraînements moteurs, d'onduleurs solaires, de chargeurs de véhicules électriques et de véhicules électriques hybrides, d'éoliennes, de systèmes de transport et de systèmes d'alimentation secourue, Texas Instruments a mis au point la norme ISO5852SDWEVM-017 (Figure 7). Il s'agit d'une carte de circuit d'attaque de grille isolé à deux canaux compacte qui fournit la commande, les tensions de polarisation, la protection et les diagnostics requis pour les modules IGBT en silicium et MOSFET en carbure de silicium (SiC) en demi-pont génériques, logés dans des boîtiers standard de 150 mm × 62 mm × 17 mm. Ce module d'évaluation de TI est basé sur le circuit d'attaque à isolation renforcée, 5700 Vrms ISO5852SDW en boîtier SOIC-16DW avec dégagement et fuite en surface de 8,0 mm. Le module d'évaluation inclut des alimentations polarisées isolées de transformateur CC/CC basées sur le SN6505B.

Figure 7 : Carte de circuit d'attaque de grille isolé à deux canaux ISO5852SDWEVM-017 de Texas Instruments, montée sur un module IGBT de 150 mm × 62 mm. (Source de l'image : Texas Instruments)

Cartes d'évaluation de modules de puissance intelligents

STMicroelectronics propose la carte d'évaluation de commande de moteurs triphasés, 2000 watts (W) STEVAL-IHM028V2 (Figure 8), dotée du module de puissance intelligent IGBT STGIPS20C60. La carte d'évaluation est un onduleur CC/CA qui génère une forme d'onde pour commander des moteurs triphasés, tels que des moteurs à induction ou des moteurs PMSM, jusqu'à 2000 W dans des appareils de CVC (climatisation), des produits blancs et des outils électriques monophasés haut de gamme. Les concepteurs peuvent utiliser cette carte d'évaluation pour mettre en œuvre des conceptions FOC avec des moteurs CA triphasés.

La section principale de ce module d'évaluation est une conception universelle, entièrement évaluée et équipée, consistant en un pont d'onduleur triphasé basé sur le module de puissance intelligent IGBT 600 V en boîtier SDIP 25L monté sur un dissipateur thermique. Le module de puissance intelligent intègre tous les commutateurs IGBT de puissance avec des diodes de roue libre ainsi que des circuits d'attaque de grille haute tension. Ce niveau d'intégration permet de réduire l'espace carte et les coûts d'assemblage, et contribue à améliorer la fiabilité. La carte est conçue pour être compatible avec les réseaux monophasés, fournissant de 90 VCA à 285 VCA, et elle est également compatible avec des entrées de 125 VCC à 400 VCC.

Figure 8 : Carte d'évaluation du produit STEVAL-IHM028V2 de STMicroelectronics avec FOC. Cette carte peut être utilisée pour évaluer un large éventail d'applications telles que les systèmes CVC (climatiseurs), les produits blancs et les outils électriques monophasés haut de gamme. (Source de l'image : STMicroelectronics)

La carte d'évaluation de 850 W prend en charge plusieurs types de moteurs

ON Semiconductor propose la carte d'évaluation SECO-1KW-MCTRL-GEVB qui permet aux concepteurs de contrôler différents types de moteurs (moteurs à induction CA, PMSM, BLDC) en utilisant divers algorithmes de contrôle, y compris FOC, mis en œuvre avec un microcontrôleur qui peut être connecté via les embases Arduino Due (Figure 9). La carte est conçue pour être utilisée avec l'Arduino DUE (embase compatible) ou avec une carte contrôleur similaire avec un microcontrôleur. La carte a été introduite pour aider les développeurs à démarrer la conception d'applications avec des modules de puissance intégrés et la correction du facteur de puissance. Elle est destinée aux concepteurs de pompes et de ventilateurs industriels, de systèmes d'automatisation industrielle et d'appareils électroménagers grand public.

Figure 9 : Schéma fonctionnel de la carte d'évaluation SECO-1KW-MCTRL-GEVB d'ON Semiconductor. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Cette carte d'évaluation est basée sur le NFAQ1060L36T (Figure 10), un étage de puissance d'onduleur intégré composé d'un circuit d'attaque haute tension, de six IGBT et d'une thermistance, convenant à la commande de moteurs à induction CA, PMSM et BLDC. Les IGBT sont configurés en pont triphasé avec des connexions d'émetteurs séparées aux branches inférieures pour une flexibilité maximum dans le choix de l'algorithme de commande. L'étage de puissance offre une gamme complète de fonctions de protection, y compris la protection d'interconduction, le blocage externe et le verrouillage en cas de sous-tension. Un comparateur et une référence internes, connectés au circuit de protection contre les surintensités, permettent au concepteur de définir le niveau de protection.

Figure 10 : Schéma fonctionnel du module de puissance intégré NFAQ1060L36T d'ON Semiconductor. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Résumé des fonctionnalités du module de puissance intégré NFAQ1060L36T :

• Module IGBT triphasé 10 A/600 V avec circuits d'attaque intégrés
• Boîtier DIL compact de 29,6 mm x 18,2 mm
• Protection intégrée contre la sous-tension
• Protection contre l'interconduction
• Entrée ITRIP pour arrêter tous les IGBT
• Résistances et diodes auto-élévatrices intégrées
• Thermistance pour la mesure de la température du substrat
• Broche d'arrêt
• Certification UL1557

Conclusion

La conception d'une électronique de puissance personnalisée pour les moteurs et les onduleurs avec des IGBT discrets pour répondre à des besoins spécifiques peut s'avérer coûteuse à long terme et retarder les calendriers de conception. Au lieu de cela, les concepteurs peuvent utiliser des modules IGBT prêts à l'emploi qui combinent plusieurs dispositifs de puissance dans un seul boîtier. Ces modules répondent au besoin des concepteurs de développer des systèmes compacts avec un minimum d'interconnexions, pour simplifier l'assemblage, réduire les coûts et les délais de mise sur le marché, et améliorer les performances globales.

Comme illustré, les concepteurs peuvent utiliser un module IGBT avec un circuit d'attaque IGBT approprié pour développer des entraînements moteurs et des onduleurs rentables et compacts qui répondent aux normes de performances et de rendement.

Lectures recommandées

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