Brevet FR2936114A1 — publié le 20100319

Circuit d'équilibrage des tensions d'une pluralité de transistors IGBT connectés en série La présente invention concerne un circuit d'équilibrage des tensions d'une pluralité de transistors IGBT connectés en série. Il est connu d'assurer la redondance des transistors IGBT dans les ponts onduleurs, de manière à assurer la continuité de fonctionnement de l'onduleur même si l'un des IGBTs dont il est constitué venait à casser. Elle exploite une des particularités de l'IGBT lorsqu'il est cassé : le fait qu'il se retrouve en court-circuit. Cette redondance est assurée, par exemple, en disposant deux IGBTs en série là où habituellement un seul IGBT suffirait. La casse d'un des deux IGBTs n'empêche pas la continuité de fonctionnement du pont. Cependant, la mise en série d'IGBTs ne peut se faire sans l'aide de circuits auxiliaires assurant une répartition équivalente de la tension aux bornes de chaque IGBT. De plus, pour pouvoir assurer la redondance d'IGBT, le système d'équilibrage utilisé doit être propre à chaque IGBT de manière que la casse d'un IGBT n'entraîne pas un déséquilibre de tension sur les IGBTs sains restants. On connaît par le document WO2007122322 un procédé d'équilibrage des tensions de deux IGBTs en série utilisant une méthode dite "d'active sharing" (notion de maître esclave). Cette méthode n'est pas totalement satisfaisante dans la mesure où elle est basée sur une notion de maître esclave, c'est à dire que la vitesse de commutation de l'IGBT esclave est asservie sur la vitesse de commutation de l'IGBT maître. Le résultat de l'équilibrage est dépendant de chaque IGBT. Si l'un des IGBTs casse, l'asservissement ne peut plus être réalisé et l'équilibrage des tensions des IGBTs ne se fera pas correctement. On a également proposé l'utilisation d'une capacité extérieure entre grille et collecteur de l'IGBT, qui permet l'équilibrage des tensions ("dv/dt controller") dans le document Pierre-Olivier JEANNIN "Le transistor MOSFET en commutation : Application aux associations série et parallèle de composants à grille isolée", Thèse de doctorat, Institut National Polytechnique de Grenoble. Cette capacité ajoutée permet de réduire les différences relatives entre composants. Cette solution permet aussi bien de compenser des différences de dv/dt dues au composant lui même qu'à des temps de retard dus aux imperfections des circuits de commande. L'inconvénient de cette solution vient du fait que l'ajout de cette capacité extérieure diminue la pente de la tension collecteur émetteur de l'IGBT. Cette di- minution de pente a pour conséquence d'allonger la durée de commutation des IGBTs et donc d'augmenter les pertes par commutation de ces derniers. Par contre si un IGBT casse, l'équilibrage peut encore être garanti. De plus, le contrôleur de dv/dt est actif à la fermeture du composant (d'où résultent des pertes supplémentaires) bien que la maîtrise de l'équilibrage des tensions pendant une fer- meture (turn-on) soit beaucoup moins critique que lors d'une ouverture (turn-off). La présente invention vise à palier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un circuit d'équilibrage des tensions d'une pluralité de transistors IGBT connectés en série, ce circuit comprenant, pour chaque IGBT, un condensateur relié au collecteur et à la grille de l'IGBT, la résistance d'ouverture reliée à la grille de l'IGBT ayant une valeur ré-duite. Par valeur "réduite", on entend une valeur inférieure à celle qui serait normalement adoptée dans un montage classique, en l'absence du condensateur reliant le collecteur à la grille de l'IGBT. On sait que le délai d'ouverture d'un IGBT est lié à la valeur de la résistance d'ouverture Rg_off reliée à la grille de l'IGBT. Plus cette valeur est petite et plus ce temps est petit. A titre d'exemple, la valeur typique pour les IGBTs utilisés actuellement est de l'ordre de 7,5 �s. Mais cette valeur peut varier de + ou û 10 % (liée à l'IGBT). Ce qui peut entraîner des instants de début de commutation différents entre les IGBTS connectés en série et par conséquent un important déséquilibre des tensions. En réduisant la valeur de la résistance d'ouverture et donc le délai d'ouverture de chaque IGBT, on réduit ainsi l'écart entre les instants de début de commutation des IGBTs connectés en série, et l'équilibrage des tensions obtenu sera correct. Cependant, la modification de la résistance d'ouverture Rg_off modifie la pente de la tension collecteur émetteur de l'IGBT lors de l'ouverture. Afin de garder cette pente à une valeur identique à celle obtenue avec une valeur � classi- que � de résistance d'ouverture, un condensateur est ajouté entre la grille et le collecteur de l'IGBT. Dans un mode de réalisation particulier, une diode est connectée en série avec ledit condensateur, dans le sens passant du collecteur à la grille. La diode, du fait de sa position, évite que le condensateur ne modifie la pente de la tension collecteur émetteur lors de la fermeture de l'IGBT. Egalement dans un mode de réalisation particulier, une résistance est connectée en série avec ledit condensateur et ladite diode. La résistance sert à amortir les oscillations dues à la présence du conden- sateur et des inductances parasites. Plus particulièrement, la diode peut être connectée entre le condensateur et la grille, et le circuit peut comprendre deux diodes zener connectées tête-bêche entre le collecteur et le point commun au condensateur et à la diode. Les diodes zener permettent de décharger le condensateur. L'invention a également pour objet un équipement électronique de puissance comportant une pluralité de transistors IGBT connectés en série, dans le-quel lesdits IGBT sont chacun associés à un circuit tel que décrit ci-dessus. L'invention présente l'avantage d'être propre à chaque IGBT. Chaque IGBT connecté en série est équipé de ce circuit. La casse d'un IGBT ne remet pas en cause l'équilibrage des tensions aux bornes des IGBTs sains restants. Avec un réglage approprié des valeurs de la résistance d'ouverture et du condensateur, la pente de la tension collecteur émetteur de l'IGBT lors de l'ouverture n'est pas modifiée, ce qui n'induit aucune perte supplémentaire. Au cours de la fermeture, le circuit n'est pas activé. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma électrique d'un circuit selon l'invention ; - les figures 2 et 3 illustrent l'évolution des tensions et intensité lors de l'ouverture de l'IGBT, respectivement avec et sans le circuit de l'inven- tion ; - les figures 4 et 5 illustrent la tension collecteur émetteur de l'IGBT lors de la fermeture, respectivement avec et sans le circuit de l'invention ; et - la figure 6 illustre l'évolution des tensions et intensité de trois IGBTs en série lors d'une ouverture avec le circuit de l'invention. Comme montré sur la figure 1, un transistor IGBT 1 est connecté en série avec d'autres IGBTs (non représentés). La grille 2 de l'IGBT est reliée de façon connue à deux circuits de commande de fermeture et d'ouverture, respectivement par l'intermédiaire de deux résistances Rg_on 3 et Rg_off 4 et de deux diodes 5 disposée dans le sens convenable. Une résistance 6 a une de ses bornes reliée au collecteur 7 de l'IGBT et l'autre à une borne d'un condensateur 8. L'autre borne du condensateur 8 est re- liée à l'anode 9 d'une diode 10 dont la cathode 11 est connectée à la grille 2 de l'IGBT. Deux diodes zener 12 et 13 sont montées tête-bêche entre le point commun au condensateur 8 et à l'anode 11 de la diode 10, et l'émetteur 14 de l'IGBT. Les diodes zener 12 et 13 ont leurs anodes communes et leurs cathodes reliées respectivement au condensateur et à l'émetteur de l'IGBT. La valeur de la résistance Rg_off 4 est choisie faible pour réduire le délai d'ouverture de l'IGBT, mais suffisante de manière à ne pas obtenir un courant de grille trop important. La valeur du condensateur est, elle, choisie en fonction de la valeur de la résistance Rg_off retenue. Elle permet de fixer à la valeur désirée le dv/dt de la tension collecteur émetteur de l'IGBT lors de l'ouverture. Les figures 2 et 3 permettent de comparer la valeur du délai d'ouverture lors de l'ouverture d'un IGBT avec et sans le circuit de la figure 1. Le transistor IGBT utilisé est un ST1500GXH24A commercialisé par la société Toshiba. Le courant commuté est de 2000 A et la tension au blocage vaut 2500 V (température = 25 °C). La valeur C de la capacité 8 est de 6.6 nF alors que Rg_off vaut 1 ohm (sans le circuit proposé, elle vaut 10 ohms). Sans le circuit de l'invention (Rg_off=10 ohms), on retrouve la valeur typique du délai d'ouverture, c'est à dire environ 7,5 �s. La diminution de la valeur de Rg_off permet de diminuer cette valeur. Ici ce temps vaut 2,6 ps pour Rg_off=1 ohm. Les valeurs des dv/dt de la tension collecteur émetteur sont les suivantes : - avec le circuit de l'invention : 2400 V/�s - sans le circuit de l'invention : 2409,52 V/�s L'ajout du condensateur 8 dans le circuit de l'invention permet donc de conserver les valeurs de dv/dt obtenues sans le circuit. Les figure 4 et 5 permettent de comparer la tension collecteur émetteur lors d'une fermeture d'un IGBT avec et sans le circuit de la figure 1. Ces figures sensi- blement identiques mettent en évidence le fait que le circuit de l'invention n'intervient pas lors de la fermeture. La figure 6 montre l'équilibrage des tensions aux bornes de trois IGBTs connectés en série et équipés du circuit de l'invention (essai pour une tension de bus de 6000V et un courant commuté de 2000 A). Le déséquilibre de tension en- tre les trois IGBT ne dépasse pas 133 V. REVENDICATIONS1. Circuit d'équilibrage des tensions d'une pluralité de transistors IGBT connectés en série, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque IGBT (1), un condensateur (8) relié au collecteur (7) et à la grille (2) de l'IGBT, la résistance d'ouverture (4) reliée à la grille de l'IGBT ayant une valeur réduite. 2. Circuit selon la revendication 1, comprenant une diode (10) connectée en série avec ledit condensateur, dans le sens passant du collecteur à la grille. 3. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant une résistance (6) en série avec ledit condensateur et ladite diode. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la diode est connectée entre le condensateur et la grille, et comprenant deux diodes zener (12, 13) connectées tête-bêche entre l'émetteur et le point commun (9) au condensateur et à la diode. 5. Equipement électronique de puissance comportant une pluralité de transistors IGBT connectés en série, caractérisé en ce que lesdits IGBT sont cha- cun associés à un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.