Optimisation de l’amorçage des MBS sur charge résistive

Introduction 

l’utilisation de composants à grille isolée comme interrupteurs statiques bi commandables dans les variateurs de lumière permet d’éliminer le filtre secteur de ceux-ci. Le respect des normes de compatibilité électromagnétique est alors assuré par le contrôle des formes des commutations des interrupteurs. Ce contrôle est réalisé grâce à l’utilisation d’un circuit de commande adapté. Le respect des normes CEM est ainsi rempli de manière préventive et intégré à la conception du système. l’étude des méthodes de contrôle des formes de commutation devient ainsi un enjeu important de la conception du système. La diminution des perturbations électromagnétiques peut être réalisée de manière simple en se contentant d’augmenter les temps de commutation des interrupteurs sans exercer aucun contrôle sur les formes d’onde elles-mêmes. Cependant, une telle solution augmente les pertes lors des commutations proportionnellement à l’augmentation des temps de commutation. Ceci se traduit, dans la plupart des cas, par des pertes trop élevées dans les composants. La modification des formes d’onde de manière à optimiser le rapport temps de commutation / perturbations générées est donc inévitable. Comme nous l’avons vu au chapitre 1, des études ont été menées sur la relation entre les formes d’onde lors des commutations, les perturbations générées et les pertes lors de celles-ci. Les résultats montrent que la forme d’onde sinusoïdale permet, pour un niveau de courant et un temps de commutation identique de minimiser le bruit électromagnétique émis. En effet, les perturbations électromagnétiques sont amplifiées en cas de discontinuités sur les dérivées successives des formes de commutation. Les cassures de pente sur les formes d’onde sont donc pénalisantes du point de vue de la compatibilité électromagnétique du système. Nous allons présenter ici l’étude que nous avons menée sur les circuits de commande des MBS utilisés dans les variateurs de lumière. Le but recherché est de limiter les discontinuités sur les formes de commutation et de faire tendre au maximum celles-ci vers la forme de commutation sinusoïdale afin d’obtenir les temps de commutation les plus courts tout en maintenant la compatibilité électromagnétique du système. Le variateur de lumière, cible de l’étude, a été décrit au chapitre 1. Le circuit de commande doit donc permettre d’optimiser les formes d’onde à l’amorçage des MBS sur des charges résistives d’une puissance maximale de 500W. d’autre part, les solutions de commande retenues doivent également satisfaire les contraintes liées à l’industrialisation du variateur de lumière. Ainsi, le circuit de commande doit être peu sensible aux dispersions de paramètres des composants commandés. De plus, celui-ci doit être si possible simple afin de réduire le coût du système et offrir une solution économiquement intéressante par rapport à l’utilisation d’un filtre secteur. Enfin, l’architecture de commande des MBS doit être en grande partie intégrable afin de pouvoir proposer une solution de commande monolithique. Nous présentons ici dans un premier temps les différents types de circuits utilisés pour la commande des composants à grille isolée. Puis nous décrivons l’étude que nous avons menée sur l’optimisation des commandes adaptées aux variateurs de lumière. Nous montrerons notamment les limites de celles-ci. Ces limites nous ont poussés à rechercher de nouvelles méthodes de commande que nous aborderons dans la dernière partie de ce chapitre. 2. Etude des méthodes classiques d’optimisation des formes d’onde d’amorçage des composants à grille isolée.. 

Introduction

 Nous allons étudier ici les différentes possibilités d’optimisation des formes d’onde offertes par les circuits généralement utilisés pour la commande des composants à grille isolée. Pour ce faire, nous allons dans un premier temps recenser les différentes solutions de commande utilisées dans les convertisseurs d’énergie utilisant des composants MOS ou IGBT. Nous verrons que bien peu de solutions sont transposables à la commande des variateurs de lumière. Nous présenterons ensuite une méthode permettant de dimensionner la solution de commande èRG-CGê. Cette méthode de commande est actuellement utilisée afin d’obtenir des formes de commutation dont le rapport perturbations électromagnétiques générées / pertes par commutation est optimisé. Puis nous tenterons d’améliorer ce circuit de commande en ajoutant une capacité variable entre grille et anode. Enfin nous analyserons la sensibilité des circuits de commande précédents face aux variations des paramètres des composants à grille isolée.

Les méthodes employées pour le contrôle à la fermeture des composants à grille isolée 

Les composants à grille isolée sont couramment utilisés de nos jours dans les convertisseurs continu / alternatif ou continu / continu o˘ ils remplacent avantageusement les GTO et les transistors bipolaires. Leur utilisation croissante a permis une augmentation de la fréquence de travail des convertisseurs. Ces vitesses de commutation élevées génèrent à leur tour le besoin de commandes améliorées permettant de réduire les pertes de commutation, de contrôler les phénomènes de recouvrement dans les diodes de roue libre et de diminuer les perturbations électromagnétiques. Nous nous sommes intéressés aux commandes généralement utilisées dans les convertisseurs à MOS ou IGBT afin d’analyser les éventuelles possibilités d’adaptation de telles méthodes dans le cadre des variateurs de lumière. 

La commande classique : commande par résistance de grille

 La commande classique des MOS / IGBT est basée sur une source de tension commandée et une simple résistance de grille permettant de fixer la vitesse de croissance de la tension VGS (Figure 3-1) . La tension VGS impose le courant circulant dans le composant lors des phases de commutation, on contrôle ainsi la vitesse de croissance du courant en fixant la résistance de grille. Sur charge inductive, ce dI/dt est souvent souhaité de valeur limitée afin de réduire le courant de recouvrement dans la diode de roue libre. La vitesse de décroissance de la tension Anode-Source est quant à elle fixée par la durée du plateau de la tension VGS. Cette durée est directement proportionnelle au courant disponible pour charger la grille du composant. Or on souhaite généralement diminuer de manière importante la durée de décroissance de la tension Anode Source du composant afin de diminuer les pertes de commutation. Cette contrainte plaide en faveur de résistances de grille très faibles afin de charger rapidement la grille du composant. On comprend alors aisément les difficultés auxquelles sont confrontés les concepteurs de convertisseurs afin de combiner de faibles pertes en commutation dans les transistors et la réduction du courant de recouvrement. La solution retenue est alors bien souvent l’ajout d’un circuit d’aide à la commutation avec les contraintes et le cout inhérents à cette solution.