Analyse du comportement à l’amorçage des MBS

Analyse du comportement à l’amorçage des MBS

L’étude que nous avons menée sur l’utilisation du MBS en tant qu’interrupteur commandable réalisant la fonction ègradateur CEM’ nous a amenés à en étudier le comportement lors de l’amorçage. Pour ce faire, nous nous sommes intéressés à la réalisation d’une représentation électrique simple du MBS afin d’analyser son comportement lors de son amorçage. Le but premier est de mettre en corrélation les formes d’ondes de commutation et les paramètres électriques du composant. L’obtention d’une représentation électrique a également pour but de permettre la prédiction des perturbations CEM générées par les montages utilisant des MBS, afin de comparer différentes solutions techniques de contrôle des formes d’ondes. D’autre part, un modèle basé sur des paramètres électriques permet de modifier aisément ceux-ci pour prendre en compte les dispersions dues au procédé de fabrication ou à la température de fonctionnement du composant. Ainsi, la représentation électrique est liée aux paramètres spécifiés par le constructeur ce qui facilite sa prise en main par des utilisateurs et simplifie éventuellement la comparaison de différents composants disponibles. Le modèle développé est dédié à la compréhension des phénomènes intervenant lors de l’amorçage de l’interrupteur dans un variateur de lumière. En conséquence, son domaine de validité a pu ‘tre réduit ce qui a permis de simplifier la représentation électrique du MBS. Ainsi, il devient inutile de représenter le phénomène de ècourant de queue’ présent dans les structures IGBT lors du blocage. De plus, l’utilisation des IGBT dans les variateurs de lumière a pour corollaire des commutations assez lentes (de l’ordre de 20µs à 500µs). D’autre part, comme nous l’avons vu au chapitre 1 ß2.4, les charges les plus perturbatrices généralement commandées par les gradateurs sont résistives ou faiblement inductives. Nous limiterons donc le domaine de représentation à ce type de charges. Enfin, le MBS étant dédié aux applications secteur ne dépassant pas 500W (cf. chapitre 1) la représentation électrique doit ‘tre fidèle jusqu’à une tension maximale de 330V et un courant maximum de 4A. L’étude des perturbations CEM conduites impose, quant à elle, un modèle fiable sur une gamme de fréquences de 150kHz à 30MHz. Nous présentons ici dans un premier temps la représentation électrique que nous avons développée sous le logiciel de simulation PSpiceÆ . Dans un second temps nous vérifions le domaine de validité de celle-ci. Enfin nous décrivons l’influence des paramètres électriques du MBS sur les formes d’ondes à l’amorçage.  

Représentation électrique du MBS à la fermeture

Comme nous l’avons vu précédemment, nous nous intéressons uniquement à la représentation de l’amorçage des MBS. Le modèle recherché peut en conséquence ‘tre simplifié aux caractéristiques électriques présentées ici. La représentation électrique développée a volontairement été décomposée en deux parties : une représentation de la caractéristique statique du composant et une prise en compte du comportement dynamique au travers des capacités parasites. Nous nous sommes basés sur le circuit équivalent de l’IGBT proposé par B.J. Baliga [28] afin de développer notre représentation électrique. Nous avons donc considéré que, lors de sa fermeture, le MBS se comporte comme l’association en série d’une diode PiN et d’un transistor MOS. Cette hypothèse simplificatrice est justifiée par la structure du composant (cf. chapitre 1). La diode PiN représente ainsi la jonction d’anode du composant tandis que le transistor MOS représente le comportement du transistor MOS intrinsèque à la structure.

Représentation de la caractéristique statique

Le schéma équivalent de type èMOS+Diode’ choisi nous amène à décomposer la représentation de la caractéristique statique du composant en trois parties : une première partie permet de représenter la zone linéaire du composant, une seconde partie représente la zone saturée de celui-ci, enfin une diode en série avec ces deux premières parties permet de compléter la représentation de la zone saturée en prenant en compte la chute de tension induite par la jonction d’anode du composant.  Nous allons étudier ici la représentation de chacune de ces parties. Nous présentons d’abord la manière dont nous avons délimité les zones saturée et linéaire de la représentation.

Délimitation des zones linéaire et saturée 

La caractéristique statique d’un MBS a une forme générale proche de celle de la Figure 2-2. On peut observer sur cette figure que la caractéristique comporte deux zones principales qui induisent un comportement du transistor totalement différent. Dans la première zone, pour les forts VAS, le courant reste quasi constant pour un VGS donné quelle que soit la tension VAS appliquée aux bornes du composant. Cette zone dans laquelle le courant ne dépend que de VGS est couramment appelée zone linéaire dans la terminologie des IGBT. Dans la seconde zone, pour une combinaison de faibles VAS et de forts VGS, le courant varie fortement pour une petite variation de tension aux bornes du composant. C’est la zone saturée du composant. Dans le cas d’une fermeture sur charge résistive, le point de fonctionnement passe d’une zone à l’autre en suivant la droite de charge (du point 1 au point 2 sur la Figure 2-2). Il convient donc, pour représenter le comportement du MBS, de définir une limite entre elles. 

Représentation de la zone linéaire

Comme nous l’avons vu précédemment, pour VAS > VGS − VGSth + VAD le MBS opère en mode linéaire. Il se comporte alors comme une source de courant commandée en tension par VGS. La caractéristique IA-VGS détermine alors le comportement du transistor (Figure 2-3).Cette caractéristique est proche de celle d’un transistor MOS fonctionnant dans sa zone saturée. Elle peut ‘tre exprimée par une équation de la forme : n A GS GSth I = B ⋅(V − A ⋅ V ) (1) dans laquelle VGSth est la tension de seuil du composant telle que définie dans les spécifications constructeur (mesurée à IA=250µA). Les paramètres A, B et n permettent d’optimiser l’équation afin qu’elle soit la plus proche possible des valeurs mesurées au traceur de courbes. Cette équation est ensuite intégrée à la représentation au travers d’une source de courant, contrÙlée selon cette équation