Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance : application à l onduleur basse tension

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1 Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance : application à l onduleur basse tension Cyril BUTTAY CEGELY VALEO 30 novembre 2004 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 1/50

2 1 Introduction Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 2/50

3 1 Introduction Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 2/50

4 Électronique de puissance & automobile Intérêt des actionneurs électriques liberté dans l architecture; climatisation, direction «tout électrique»... souplesse de commande; allumage, soupapes électriques. Exemple: hybridation des moteurs réduction de consommation. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 3/50

5 Électronique de puissance & automobile Intérêt des actionneurs électriques liberté dans l architecture; climatisation, direction «tout électrique»... souplesse de commande; allumage, soupapes électriques. Exemple: hybridation des moteurs réduction de consommation. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 3/50

6 Électronique de puissance & automobile Intérêt des actionneurs électriques liberté dans l architecture; climatisation, direction «tout électrique»... souplesse de commande; allumage, soupapes électriques. Exemple: hybridation des moteurs réduction de consommation. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 3/50

7 La simulation en électronique de puissance Intérêt Limiter les phases de prototypage Analyser les phénomènes Accéder à des valeurs non mesurables Problèmes Peu de modèles précis Raideur des simulations Influence des interconnexions Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 4/50

8 La simulation en électronique de puissance Intérêt Limiter les phases de prototypage Analyser les phénomènes Accéder à des valeurs non mesurables Problèmes Peu de modèles précis Raideur des simulations Influence des interconnexions Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 4/50

9 La simulation en électronique de puissance Intérêt Limiter les phases de prototypage Analyser les phénomènes Accéder à des valeurs non mesurables Problèmes Peu de modèles précis Raideur des simulations Influence des interconnexions Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 4/50

10 La simulation en électronique de puissance Intérêt Limiter les phases de prototypage Analyser les phénomènes Accéder à des valeurs non mesurables Problèmes Peu de modèles précis Raideur des simulations Influence des interconnexions Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 4/50

11 La simulation en électronique de puissance Intérêt Limiter les phases de prototypage Analyser les phénomènes Accéder à des valeurs non mesurables Problèmes Peu de modèles précis Raideur des simulations Influence des interconnexions Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 4/50

12 La simulation en électronique de puissance Intérêt Limiter les phases de prototypage Analyser les phénomènes Accéder à des valeurs non mesurables Problèmes Peu de modèles précis Raideur des simulations Influence des interconnexions Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 4/50

13 Objectifs du travail Proposer un modèle complet de l onduleur Utilisation des modèles de composants du CEGELY; utilisation de SABER puis Pspice, adaptation aux contraintes basse tension, Utilisation d InCa (LEG) pour la modélisation du câblage; Confronter ces modèles à l expérience Utiliser l outil de simulation mettre en avant ses avantages; participer à la construction d un prototype virtuel; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 5/50

14 Objectifs du travail Proposer un modèle complet de l onduleur Utilisation des modèles de composants du CEGELY; utilisation de SABER puis Pspice, adaptation aux contraintes basse tension, Utilisation d InCa (LEG) pour la modélisation du câblage; Confronter ces modèles à l expérience Utiliser l outil de simulation mettre en avant ses avantages; participer à la construction d un prototype virtuel; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 5/50

15 Objectifs du travail Proposer un modèle complet de l onduleur Utilisation des modèles de composants du CEGELY; utilisation de SABER puis Pspice, adaptation aux contraintes basse tension, Utilisation d InCa (LEG) pour la modélisation du câblage; Confronter ces modèles à l expérience Utiliser l outil de simulation mettre en avant ses avantages; participer à la construction d un prototype virtuel; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 5/50

16 Objectifs du travail Proposer un modèle complet de l onduleur Utilisation des modèles de composants du CEGELY; utilisation de SABER puis Pspice, adaptation aux contraintes basse tension, Utilisation d InCa (LEG) pour la modélisation du câblage; Confronter ces modèles à l expérience Utiliser l outil de simulation mettre en avant ses avantages; participer à la construction d un prototype virtuel; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 5/50

17 Objectifs du travail Proposer un modèle complet de l onduleur Utilisation des modèles de composants du CEGELY; utilisation de SABER puis Pspice, adaptation aux contraintes basse tension, Utilisation d InCa (LEG) pour la modélisation du câblage; Confronter ces modèles à l expérience Utiliser l outil de simulation mettre en avant ses avantages; participer à la construction d un prototype virtuel; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 5/50

18 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage 1 Introduction Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 6/50

19 Structure étudiée Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Les composants condensateurs quasi-idéaux (céramiques CMS) MOSFET câblage Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 7/50

20 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 8/50

21 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 8/50

22 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 8/50

23 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 8/50

24 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 8/50

25 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 8/50

26 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 8/50

27 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET statique origine du R DSon Résistance spécifique (Ω.cm 2 ) m 10 m 1 m MOS commercialisés MOS idéal 100 u 10 V 100 V 1 kv Tension de claquage (V) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 9/50

28 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET statique origine du R DSon Résistance spécifique (Ω.cm 2 ) m 10 m 1 m MOS commercialisés MOS idéal MOS idéal, R cablage =500 µω 100 u 10 V 100 V 1 kv Tension de claquage (V) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 9/50

29 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET statique origine du R DSon Résistance spécifique (Ω.cm 2 ) m 10 m 1 m MOS commercialisés MOS idéal MOS idéal, R cablage =500 µω 100 u 10 V 100 V 1 kv Tension de claquage (V) Source: STMicroelectronics Spécificité MOSFET basse tension : Résistances de boîtier Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 9/50

30 MOSFET statique modèle Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Courant de drain (A) Modèle 2Kp Modele ST (spice) Mesure 12V Tension drain source (V) 8V 7V 6V 5V 4,5V 3V; 4V Modèle à «2Kp»: plus de degrés de liberté que le modèle spice level 3 ; peu complexe; 5 paramètres : Kp sat, Kp lin, θ, V th, σ. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 10/50

31 MOSFET statique modèle Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Courant de drain (A) Modèle 2Kp Modele ST (spice) Mesure 12V Tension drain source (V) 8V 7V 6V 5V 4,5V 3V; 4V Modèle à «2Kp»: plus de degrés de liberté que le modèle spice level 3 ; peu complexe; 5 paramètres : Kp sat, Kp lin, θ, V th, σ. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 10/50

32 MOSFET statique modèle Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Courant de drain (A) Modèle 2Kp Modele ST (spice) Mesure 12V Tension drain source (V) 8V 7V 6V 5V 4,5V 3V; 4V Modèle à «2Kp»: plus de degrés de liberté que le modèle spice level 3 ; peu complexe; 5 paramètres : Kp sat, Kp lin, θ, V th, σ. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 10/50

33 MOSFET caractérisation statique Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Caractérisation statique Autoéchauffement ; mesures pulsées < 10 µs, dispositif de test spécifique, identification automatisée par recuit simulé. Tension drain-source (V) u u 10.0u 15.0u 20.0u 25.0u Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 11/50

34 MOSFET caractérisation statique Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Caractérisation statique Autoéchauffement ; mesures pulsées < 10 µs, dispositif de test spécifique, identification automatisée par recuit simulé. Tension drain-source (V) u u 10.0u 15.0u 20.0u 25.0u Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 11/50

35 MOSFET caractérisation statique Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Caractérisation statique Autoéchauffement ; mesures pulsées < 10 µs, dispositif de test spécifique, identification automatisée par recuit simulé. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 11/50

36 MOSFET caractérisation statique Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Caractérisation statique Autoéchauffement ; mesures pulsées < 10 µs, dispositif de test spécifique, Courant de drain (A) identification automatisée 0 par recuit simulé s 5 s 10 s 15 s 20 s Tension drain source 8V 7V 6V 5V 4,5V 3V; 4V Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 11/50

37 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 12/50

38 MOSFET Diode intrinsèque Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Utilisation du modèle de diode PiN du CEGELY Paramètres dynamiques : A, N, W, τ A, τ D, α; Paramètres statiques : V bi et V n0. Identification des paramètres Paramètres dynamiques : estimation de A, N, W et τ A a priori, identification aux mesures en commutation, identification de τ D et α, Paramètres statiques : V bi et V n0 ; identification avec la caractéristique statique. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 13/50

39 MOSFET Diode intrinsèque Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Utilisation du modèle de diode PiN du CEGELY Paramètres dynamiques : A, N, W, τ A, τ D, α; Paramètres statiques : V bi et V n0. Identification des paramètres Paramètres dynamiques : estimation de A, N, W et τ A a priori, identification aux mesures en commutation, identification de τ D et α, Paramètres statiques : V bi et V n0 ; identification avec la caractéristique statique. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 13/50

40 MOSFET Diode intrinsèque Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Utilisation du modèle de diode PiN du CEGELY Paramètres dynamiques : A, N, W, τ A, τ D, α; Paramètres statiques : V bi et V n0. Identification des paramètres Paramètres dynamiques : estimation de A, N, W et τ A a priori, identification aux mesures en commutation, identification de τ D et α, Paramètres statiques : V bi et V n0 ; identification avec la caractéristique statique. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 13/50

41 MOSFET Diode intrinsèque Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Utilisation du modèle de diode PiN du CEGELY Paramètres dynamiques : A, N, W, τ A, τ D, α; Paramètres statiques : V bi et V n0. Identification des paramètres Paramètres dynamiques : estimation de A, N, W et τ A a priori, identification aux mesures en commutation, identification de τ D et α, Paramètres statiques : V bi et V n0 ; identification avec la caractéristique statique. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 13/50

42 MOSFET Diode intrinsèque Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Utilisation du modèle de diode PiN du CEGELY Paramètres dynamiques : A, N, W, τ A, τ D, α; Paramètres statiques : V bi et V n0. Identification des paramètres Paramètres dynamiques : estimation de A, N, W et τ A a priori, identification aux mesures en commutation, identification de τ D et α, Paramètres statiques : V bi et V n0 ; identification avec la caractéristique statique. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 13/50

43 MOSFET Diode intrinsèque Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Utilisation du modèle de diode PiN du CEGELY Paramètres dynamiques : A, N, W, τ A, τ D, α; Paramètres statiques : V bi et V n0. Identification des paramètres Paramètres dynamiques : estimation de A, N, W et τ A a priori, identification aux mesures en commutation, identification de τ D et α, Paramètres statiques : V bi et V n0 ; identification avec la caractéristique statique. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 13/50

44 MOSFET Diode intrinsèque Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Utilisation du modèle de diode PiN du CEGELY Paramètres dynamiques : A, N, W, τ A, τ D, α; Paramètres statiques : V bi et V n0. Identification des paramètres Paramètres dynamiques : estimation de A, N, W et τ A a priori, identification aux mesures en commutation, identification de τ D et α, Paramètres statiques : V bi et V n0 ; identification avec la caractéristique statique. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 13/50

45 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode dynamique Un transistor en commutation Grille et source du transistor sous test court-circuitées Simulation du modèle complet du MOSFET Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 14/50

46 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode dynamique Courant de drain (A) mesure simulation tension simulation courant s ns 1.0 us 1.5 us 2.0 us 5 Temps (s) Tension drain source (V) Un transistor en commutation Grille et source du transistor sous test court-circuitées Simulation du modèle complet du MOSFET Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 14/50

47 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode dynamique Courant de drain (A) mesure simulation tension simulation courant Tension drain source (V) Un transistor en commutation Grille et source du transistor sous test court-circuitées s ns 1.0 us 1.5 us 2.0 us 5 Temps (s) Simulation du modèle complet du MOSFET Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 14/50

48 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode statique simulation mesure Forte influence sur les pertes dans un onduleur Courant d anode (A) paramètres : 50 V bi et V n Tension anode cathode (V) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 15/50

49 MOSFET Causes du passage en avalanche Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Inductance de maille load dump Forte dissipation d énergie modèle électrothermique Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 16/50

50 MOSFET Causes du passage en avalanche Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Inductance de maille load dump Forte dissipation d énergie modèle électrothermique Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 16/50

51 MOSFET Causes du passage en avalanche Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Inductance de maille load dump Forte dissipation d énergie modèle électrothermique Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 16/50

52 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche principe condensateur chargé à v C fermeture de 1, charge de L fermeture de 2 et 3 ouverture de 1 ouverture de 3 (avalanche) fermeture de 1 2 isolé Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 17/50

53 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche principe condensateur chargé à v C fermeture de 1, charge de L fermeture de 2 et 3 ouverture de 1 ouverture de 3 (avalanche) fermeture de 1 2 isolé Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 17/50

54 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche principe condensateur chargé à v C fermeture de 1, charge de L fermeture de 2 et 3 ouverture de 1 ouverture de 3 (avalanche) fermeture de 1 2 isolé Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 17/50

55 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche principe condensateur chargé à v C fermeture de 1, charge de L fermeture de 2 et 3 ouverture de 1 ouverture de 3 (avalanche) fermeture de 1 2 isolé Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 17/50

56 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche principe condensateur chargé à v C fermeture de 1, charge de L fermeture de 2 et 3 ouverture de 1 ouverture de 3 (avalanche) fermeture de 1 2 isolé Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 17/50

57 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche principe condensateur chargé à v C fermeture de 1, charge de L fermeture de 2 et 3 ouverture de 1 ouverture de 3 (avalanche) fermeture de 1 2 isolé Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 17/50

58 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche principe condensateur chargé à v C fermeture de 1, charge de L fermeture de 2 et 3 ouverture de 1 ouverture de 3 (avalanche) fermeture de 1 2 isolé Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 17/50

59 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche mesures 120 A I D (A) V DS (V) V F (V) 80 A 40 A 0 A 30 V 20 V 10 V 0 V 0.5 V 0.6 V 0 s 200 us 400 us 600 us 800 us Temps (s) Mesures : Courant de drain; Tension drain source; Température durant le refroidissement. Impulsions de durée croissante extraction de I D (t), V DS (t) et T (t). Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 18/50

60 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche mesures 120 A I D (A) V DS (V) V F (V) 80 A 40 A 0 A 30 V 20 V 10 V 0 V 0.5 V 0.6 V 0 s 200 us 400 us 600 us 800 us Temps (s) Mesures : Courant de drain; Tension drain source; Température durant le refroidissement. Impulsions de durée croissante extraction de I D (t), V DS (t) et T (t). Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 18/50

61 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche mesures 120 A I D (A) V DS (V) V F (V) 80 A 40 A 0 A 30 V 20 V 10 V 0 V 0.5 V 0.6 V 0 s 200 us 400 us 600 us 800 us Temps (s) Mesures : Courant de drain; Tension drain source; Température durant le refroidissement. Impulsions de durée croissante extraction de I D (t), V DS (t) et T (t). Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 18/50

62 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche mesures 120 A I D (A) V DS (V) V F (V) 80 A 40 A 0 A 30 V 20 V 10 V 0 V 0.5 V 0.6 V 0 s 200 us 400 us 600 us 800 us Temps (s) Mesures : Courant de drain; Tension drain source; Température durant le refroidissement. Impulsions de durée croissante extraction de I D (t), V DS (t) et T (t). Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 18/50

63 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche mesures 120 A I D (A) V DS (V) V F (V) 80 A 40 A 0 A 30 V 20 V 10 V 0 V 0.5 V 0.6 V 0 s 200 us 400 us 600 us 800 us Temps (s) Mesures : Courant de drain; Tension drain source; Température durant le refroidissement. Impulsions de durée croissante extraction de I D (t), V DS (t) et T (t). Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 18/50

64 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode en avalanche mesures 120 A I D (A) V DS (V) V F (V) 80 A 40 A 0 A 30 V 20 V 10 V 0 V 0.5 V 0.6 V 0 s 200 us 400 us 600 us 800 us Temps (s) Mesures : Courant de drain; Tension drain source; Température durant le refroidissement. Impulsions de durée croissante extraction de I D (t), V DS (t) et T (t). V DS = V BR + βt + R BR I D Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 18/50

65 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 19/50

66 MOSFET Modèle proposé Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage le MOSFET peut être modélisé par schéma équivalent Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 19/50

67 MOSFET Capacités Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage C GS Capacité constante un seul paramètre: C GS C DS Capacité de jonction de la diode interne déjà modélisée C GD Capacité d oxyde en série avec une capacité de jonction 2 paramètres suplémentaires : A GD et C ox 3 paramètres à identifier : C GS, A GD et C ox Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 20/50

68 MOSFET Capacités Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage C GS Capacité constante un seul paramètre: C GS C DS Capacité de jonction de la diode interne déjà modélisée C GD Capacité d oxyde en série avec une capacité de jonction 2 paramètres suplémentaires : A GD et C ox 3 paramètres à identifier : C GS, A GD et C ox Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 20/50

69 MOSFET Capacités Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage C GS Capacité constante un seul paramètre: C GS C DS Capacité de jonction de la diode interne déjà modélisée C GD Capacité d oxyde en série avec une capacité de jonction 2 paramètres suplémentaires : A GD et C ox 3 paramètres à identifier : C GS, A GD et C ox Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 20/50

70 MOSFET Capacités Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage C GS Capacité constante un seul paramètre: C GS C DS Capacité de jonction de la diode interne déjà modélisée C GD Capacité d oxyde en série avec une capacité de jonction 2 paramètres suplémentaires : A GD et C ox 3 paramètres à identifier : C GS, A GD et C ox Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 20/50

71 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation du comportement dynamique I G (A) V GS (V) I D (A) V DS (V) mesure 1 simulation u 6u 8u 10u 12u 14u 16u 18u 20u Interactions câblage/capacités MOSFET Commutations rapide et lente Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 21/50

72 Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation du comportement dynamique V DS (V) I D (A) V GS (V) I G (A) mesure 0.1 simulation u 6u 8u 10u 12u 14u 16u 18u 20u Interactions câblage/capacités MOSFET Commutations rapide et lente Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 21/50

73 Câblage Influence sur la commutation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage V DS (V) L D =1n L D =5n L D =20n L D =50n 6.0u 6.5u 7.0u 11.0u 11.5u ouverture fermeture I D (V) Influence de L D 6.0u 6.5u 7.0u 11.0u 11.5u Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 22/50

74 Câblage Influence sur la commutation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage V DS (V) L S =1n L S =5n L S =20n L S =50n 6.0u 6.5u 7.0u 11.0u 11.5u ouverture fermeture I D (V) Influence de L S 6.0u 6.5u 7.0u 11.0u 11.5u Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 22/50

75 Câblage Modèles Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Capacités parasites utilisation de SMI : fortes capacités des pistes; basse tension : faible impact des capacités parasites; Inductances et résistances parasites utilisation de SMI : faible inductance des pistes ; fort courant : prédominance des inductances et résistances parasites; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 23/50

76 Câblage Modèles Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Capacités parasites utilisation de SMI : fortes capacités des pistes; basse tension : faible impact des capacités parasites; Inductances et résistances parasites utilisation de SMI : faible inductance des pistes ; fort courant : prédominance des inductances et résistances parasites; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 23/50

77 Câblage Modèles Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Capacités parasites utilisation de SMI : fortes capacités des pistes; basse tension : faible impact des capacités parasites; une formulation simple suffit : C = C surfacique S piste Inductances et résistances parasites utilisation de SMI : faible inductance des pistes ; fort courant : prédominance des inductances et résistances parasites; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 23/50

78 Câblage Modèles Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Capacités parasites utilisation de SMI : fortes capacités des pistes; basse tension : faible impact des capacités parasites; une formulation simple suffit : C = C surfacique S piste Inductances et résistances parasites utilisation de SMI : faible inductance des pistes ; fort courant : prédominance des inductances et résistances parasites; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 23/50

79 Câblage Modèles Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Capacités parasites utilisation de SMI : fortes capacités des pistes; basse tension : faible impact des capacités parasites; une formulation simple suffit : C = C surfacique S piste Inductances et résistances parasites utilisation de SMI : faible inductance des pistes ; fort courant : prédominance des inductances et résistances parasites; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 23/50

80 Câblage Modèles Introduction Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Capacités parasites utilisation de SMI : fortes capacités des pistes; basse tension : faible impact des capacités parasites; une formulation simple suffit : C = C surfacique S piste Inductances et résistances parasites utilisation de SMI : faible inductance des pistes ; fort courant : prédominance des inductances et résistances parasites; pas de formulation simple, emploi de logiciel spécifique Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 23/50

81 Câblage Méthodes de modélisation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 24/50

82 Câblage Méthodes de modélisation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage L 1 M M 1n L 2... M 2n.... L n Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 24/50

83 Câblage Méthodes de modélisation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage 0 L 1 M M 1n L 2... M 2n L n 1 C A Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 24/50

84 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche 1 Introduction Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 25/50

85 Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 26/50

86 Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 26/50

87 Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Température ( C) Temps (s) Mesure de température du fluide caloporteur avant; pendant; après fonctionnement du convertisseur. Calcul de T Calcul de E = C T. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 27/50

88 Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Température ( C) T Temps (s) Mesure de température du fluide caloporteur avant; pendant; après fonctionnement du convertisseur. Calcul de T Calcul de E = C T. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 27/50

89 Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Température ( C) T Temps (s) Mesure de température du fluide caloporteur avant; pendant; après fonctionnement du convertisseur. Calcul de T Calcul de E = C T. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 27/50

90 Méthodologie Dispositif expérimental Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Banc de mesure calorimétrique circuit de puissance; source de tension, source de courant, pilotage PC, capteurs calibration commande optique; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 28/50

91 Méthodologie Dispositif expérimental Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Banc de mesure calorimétrique circuit de puissance; source de tension, source de courant, pilotage PC, capteurs calibration commande optique; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 28/50

92 Méthodologie Dispositif expérimental Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Banc de mesure calorimétrique circuit de puissance; source de tension, source de courant, pilotage PC, capteurs calibration commande optique; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 28/50

93 Méthodologie Dispositif expérimental Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 28/50

94 Méthodologie Dispositif de simulation Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Calcul des pertes par intégration sur une période: P = 1 T T 0 (u e i e u s i s ) dt Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 29/50

95 Méthodologie Dispositif de simulation Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Calcul des pertes par intégration sur une période: P = 1 T T 0 (u e i e u s i s ) dt Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 29/50

96 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Mesure R G =100 Ω Simulation R G =100 Ω Mesure R G =2,3 Ω Simulation R G =2,3 Ω Pertes (W) I 0 = 70 A, V 0 = 20 V, temps mort γ = 2 µs 0 0 Hz 20 khz 40 khz 60 khz 80 khz 100 khz 120 khz Fréquence de découpage Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 30/50

97 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I A 2 30 A 3 30 A 4 30 A 5 70 A 6 70 A 7 70 A 8 70 A 9 70 A A A A Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50

98 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U A 10 V 2 30 A 10 V 3 30 A 10 V 4 30 A 10 V 5 70 A 10 V 6 70 A 10 V 7 70 A 10 V 8 70 A 10 V 9 70 A 20 V A 20 V A 20 V A 20 V Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50

99 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G 1 30 A 10 V 2,3 Ω 2 30 A 10 V 100 Ω 3 30 A 10 V 2,3 Ω 4 30 A 10 V 100 Ω 5 70 A 10 V 2,3 Ω 6 70 A 10 V 100 Ω 7 70 A 10 V 2,3 Ω 8 70 A 10 V 100 Ω 9 70 A 20 V 2,3 Ω A 20 V 100 Ω A 20 V 2,3 Ω A 20 V 100 Ω Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50

100 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G γ 1 30 A 10 V 2,3 Ω 2 µs 2 30 A 10 V 100 Ω 2 µs 3 30 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 4 30 A 10 V 100 Ω 400 ns 5 70 A 10 V 2,3 Ω 2 µs 6 70 A 10 V 100 Ω 2 µs 7 70 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 8 70 A 10 V 100 Ω 400 ns 9 70 A 20 V 2,3 Ω 2 µs A 20 V 100 Ω 2 µs A 20 V 2,3 Ω 400 ns A 20 V 100 Ω 400 ns Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50

101 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G γ E commut. P cond A 10 V 2,3 Ω 2 µs 5 % 18 % 2 30 A 10 V 100 Ω 2 µs 10 % 24 % 3 30 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 41 % 0 % 4 30 A 10 V 100 Ω 400 ns 1 % 0 % 5 70 A 10 V 2,3 Ω 2 µs 7 % 9 % 6 70 A 10 V 100 Ω 2 µs 4 % 21 % 7 70 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 55 % 7 % 8 70 A 10 V 100 Ω 400 ns 9 % 10 % 9 70 A 20 V 2,3 Ω 2 µs 4 % 13 % A 20 V 100 Ω 2 µs 7 % 29 % A 20 V 2,3 Ω 400 ns 23 % 10 % A 20 V 100 Ω 400 ns 7 % 2 % Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50

102 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G γ E commut. P cond A 10 V 2,3 Ω 2 µs 5 % 18 % 2 30 A 10 V 100 Ω 2 µs 10 % 24 % 3 30 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 41 % 0 % 4 30 A 10 V 100 Ω 400 ns 1 % 0 % 5 70 A 10 V 2,3 Ω 2 µs 7 % 9 % 6 70 A 10 V 100 Ω 2 µs 4 % 21 % 7 70 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 55 % 7 % 8 70 A 10 V 100 Ω 400 ns 9 % 10 % 9 70 A 20 V 2,3 Ω 2 µs 4 % 13 % A 20 V 100 Ω 2 µs 7 % 29 % A 20 V 2,3 Ω 400 ns 23 % 10 % A 20 V 100 Ω 400 ns 7 % 2 % Sources d erreur: délai de commutation; modélisation du câblage incomplète Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50

103 Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G γ E commut. P cond A 10 V 2,3 Ω 2 µs 5 % 18 % 2 30 A 10 V 100 Ω 2 µs 10 % 24 % 3 30 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 41 % 0 % 4 30 A 10 V 100 Ω 400 ns 1 % 0 % 5 70 A 10 V 2,3 Ω 2 µs 7 % 9 % 6 70 A 10 V 100 Ω 2 µs 4 % 21 % 7 70 A 10 V 2,3 Ω 400 ns 55 % 7 % 8 70 A 10 V 100 Ω 400 ns 9 % 10 % 9 70 A 20 V 2,3 Ω 2 µs 4 % 13 % A 20 V 100 Ω 2 µs 7 % 29 % A 20 V 2,3 Ω 400 ns 23 % 10 % A 20 V 100 Ω 400 ns 7 % 2 % Sources d erreur: délai de commutation; modélisation du câblage incomplète Bons résultats en général. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50

104 Mesures temporelles Résultats 20 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche V DS (V) V DS (V) mesure simulation 50u 60u 70u 80u 90u Résistance de grille 100 Ω 61u 62u 88u 89u Temps (s) Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 32/50

105 Mesures temporelles Résultats 20 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche V GS (V) 10 0 mesure simulation V GS (V) u 60u 70u 80u 90u Résistance de grille 100 Ω 10 60u 61u 62u 63u 87u 88u 89u 90u Temps (s) Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 32/50

106 V DS (V) V DS (V) Introduction Mesures temporelles Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche mesure simulation 50u 60u 70u 80u 90u 10 60u 61u Temps (s) 87u 88u Temps (s) Résistance de grille 2,3 Ω Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 32/50

107 Mesures temporelles Résultats 20 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche V GS (V) 10 0 mesure simulation 10 V GS (V) u 60u 70u 80u 90u Résistance de grille 2,3 Ω 10 59u 60u 61u 87u 88u 89u Temps (s) Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 32/50

108 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche MOSFET du modèle électrothermique de l avalanche simulation Modèle thermique: 100 cellules RC pour la puce; 30 cellules pour le cuivre; une capacité représentant la métallisation de source et les bondings. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 33/50

109 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche MOSFET du modèle électrothermique de l avalanche résultats Modèle 1D «corrigé» Bons résultats Température ( C) mesure Température simulée V DS simulé s 200us 400us 600us 800us 28.0 Temps (s) Tension drain source (V) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 34/50

110 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche 1 Introduction Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 35/50

111 Mise en parallèle Dispositif de simulation Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche onduleur 14 V; 4 MOSFET par interrupteur; modélisation du câblage inductif, résistif et capacitif. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 36/50

112 Mise en parallèle Equilibre statique Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Sources de déséquilibre variation de R DSon entre transistors; min 2 mω, max 3.2 mω, Résistances d accès (pistes) différentes. Jusqu à 60 % d écart en «pire cas» Forte influence des résistances parasites (boîtier + pistes) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 37/50

113 Mise en parallèle Equilibre statique Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Sources de déséquilibre variation de R DSon entre transistors; min 2 mω, max 3.2 mω, Résistances d accès (pistes) différentes. Jusqu à 60 % d écart en «pire cas» Forte influence des résistances parasites (boîtier + pistes) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 37/50

114 Mise en parallèle Equilibre statique Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Sources de déséquilibre variation de R DSon entre transistors; min 2 mω, max 3.2 mω, Résistances d accès (pistes) différentes. Jusqu à 60 % d écart en «pire cas» Forte influence des résistances parasites (boîtier + pistes) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 37/50

115 Mise en parallèle Equilibre statique Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Sources de déséquilibre variation de R DSon entre transistors; min 2 mω, max 3.2 mω, Résistances d accès (pistes) différentes. Jusqu à 60 % d écart en «pire cas» Courant de drain (A) MOS haut N 1 MOS haut N 2 MOS haut N 3 MOS haut N 4 MOS bas N 1 MOS bas N 2 MOS bas N 3 MOS bas N 4 MOS bas 4.0m 4.5m 5.0m 5.5m 6.0m Temps (s) MOS hauts Forte influence des résistances parasites (boîtier + pistes) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 37/50

116 Mise en parallèle Equilibre statique Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Sources de déséquilibre variation de R DSon entre transistors; min 2 mω, max 3.2 mω, Résistances d accès (pistes) différentes. Jusqu à 60 % d écart en «pire cas» Courant de drain (A) MOS haut N 1 MOS haut N 2 MOS haut N 3 MOS haut N 4 MOS bas N 1 MOS bas N 2 MOS bas N 3 MOS bas N 4 MOS bas 4.0m 4.5m 5.0m 5.5m 6.0m Temps (s) MOS hauts Forte influence des résistances parasites (boîtier + pistes) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 37/50

117 Mise en parallèle Dispersion sur V TH Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Un MOSFET à V TH = 3,5 V trois MOSFET à V TH = 5,5 V Courant de drain (A) u fermeture 6u 8u 10u 32u Temps (s) MOS n 1 MOS n 2 MOS n 3 MOS n 4 34u 36u ouverture 38u 40u Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 38/50

118 Mise en parallèle Dispersion sur V TH Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Un MOSFET à V TH = 3,5 V trois MOSFET à V TH = 5,5 V Énergie dissipée 14mJ 12mJ 10mJ 8mJ 6mJ 4mJ 2mJ MOS n 1 MOS n 2 MOS n 3 MOS n 4 0 J Résistance de commmande (Ω) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 38/50

119 Mise en parallèle Dispersion sur C ISS Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Un MOSFET à C iss = 60 % du nominal trois MOSFET à C iss = 140 % du nominal Courant de drain (A) u fermeture 6u 8u 10u 32u Temps (s) MOS n 1 MOS n 2 MOS n 3 MOS n 4 34u 36u ouverture 38u 40u Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 39/50

120 Mise en parallèle Dispersion sur C ISS Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Un MOSFET à C iss = 60 % du nominal trois MOSFET à C iss = 140 % du nominal Énergie dissipée 10mJ 9mJ 8mJ 7mJ 6mJ 5mJ 4mJ 3mJ 2mJ 1mJ MOS n 1 MOS n 2 MOS n 3 MOS n 4 0 J Résistance de commmande (Ω) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 39/50

121 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Mise en parallèle Stabilité de l association problématique Oscillations mode différentiel entre deux transistors; Ne peut se produire qu en régime saturé; Remède classique : une résistance de grille par transistor. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 40/50

122 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Mise en parallèle Stabilité de l association problématique Oscillations mode différentiel entre deux transistors; Ne peut se produire qu en régime saturé; Remède classique : une résistance de grille par transistor. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 40/50

123 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Mise en parallèle Stabilité de l association dispositif de simulation Simulations temporelles; excitation d un MOSFET; commutation très lente. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 41/50

124 Mise en parallèle Stabilité de l association résultats Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Modèle de transistor modifié pour être instable Capas/10, Rg nulle STB210NF02 stable V GS puce (V) us 20us 25us 30us 35us 40us 45us Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 42/50

125 Mise en parallèle Stabilité de l association résultats Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Modèle de transistor modifié pour être instable Capas/10, Rg nulle STB210NF02 stable Courant de drain (A) MOS n 1 MOS n 2 MOS n 3 MOS n us 41us 42us 43us 44us Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 42/50

126 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Mise en parallèle Comportement en régime d avalanche problématique Tenue en tension : paramètre mal maîtrisé en fabrication; L autoéchauffement réduit les déséquilibres en courant (lent); Effet bénéfique de la résistance de chemin d avalanche (rapide); Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 43/50

127 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Mise en parallèle Comportement en régime d avalanche problématique Tenue en tension : paramètre mal maîtrisé en fabrication; L autoéchauffement réduit les déséquilibres en courant (lent); Effet bénéfique de la résistance de chemin d avalanche (rapide); Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 43/50

128 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Mise en parallèle Comportement en régime d avalanche résultats Courant de drain (A) R BR =1 mω u 60u 80u 100u 120u 140u 160u Temps (s) Température ( C) R BR =1 mω 30 40u 60u 80u 100u 120u 140u 160u Temps (s) Comparaison avec et sans prise en compte de la résistance de chemin d avalanche Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 44/50

129 Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche Mise en parallèle Comportement en régime d avalanche résultats Courant de drain (A) R BR =1 mω R BR =12 mω 40u 60u 80u 100u 120u 140u 160u Temps (s) Température ( C) R BR =1 mω R BR =12 mω 30 40u 60u 80u 100u 120u 140u 160u Temps (s) Comparaison avec et sans prise en compte de la résistance de chemin d avalanche Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 44/50

130 1 Introduction Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 45/50

131 bilan de l onduleur adaptée aux applications d onduleurs basse tension; modélisation inductive et résistive du câblage, modélisation de la diode interne du MOSFET, utilisant des méthodes d identification simples ; méthodologie de validation exigeante ; Utilisation de l outil de simulation donne accès à des grandeurs difficilement mesurables; permet d évaluer l impact des dispersions de fabrication ; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 46/50

132 bilan de l onduleur adaptée aux applications d onduleurs basse tension; utilisant des méthodes d identification simples ; identification avec des mesures temporelles, utilisation de circuits élémentaires, méthodologie de validation exigeante ; Utilisation de l outil de simulation donne accès à des grandeurs difficilement mesurables; permet d évaluer l impact des dispersions de fabrication ; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 46/50

133 bilan de l onduleur adaptée aux applications d onduleurs basse tension; utilisant des méthodes d identification simples ; méthodologie de validation exigeante ; validation sur un convertisseur complet, utilisation du critère de pertes, Utilisation de l outil de simulation donne accès à des grandeurs difficilement mesurables; permet d évaluer l impact des dispersions de fabrication ; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 46/50

134 bilan de l onduleur adaptée aux applications d onduleurs basse tension; utilisant des méthodes d identification simples ; méthodologie de validation exigeante ; Utilisation de l outil de simulation donne accès à des grandeurs difficilement mesurables; répartition du courant lors de mise en parallèle, élévation de température durant l avalanche, permet d évaluer l impact des dispersions de fabrication ; Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 46/50

135 bilan de l onduleur adaptée aux applications d onduleurs basse tension; utilisant des méthodes d identification simples ; méthodologie de validation exigeante ; Utilisation de l outil de simulation donne accès à des grandeurs difficilement mesurables; permet d évaluer l impact des dispersions de fabrication ; simulations «pire cas», aide au dimensionnement, Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 46/50

136 perspectives Amélioration de la modélisation modélisation thermique du convertisseur; nécessité d un modèle thermique complet, validation du modèle électrothermique du MOSFET, amélioration du modèle électrique du MOSFET ; accélération de la modélisation du câblage ; Utilisation de l outil de simulation en conception prévisions de performances sur un onduleur intégré; nécessité de connaître les effets des sur-contraintes sur la fiabilité fiabilité prédictive. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 47/50

137 perspectives Amélioration de la modélisation modélisation thermique du convertisseur; amélioration du modèle électrique du MOSFET ; prise en compte des couplages avec le circuit, accélération de la modélisation du câblage ; Utilisation de l outil de simulation en conception prévisions de performances sur un onduleur intégré; nécessité de connaître les effets des sur-contraintes sur la fiabilité fiabilité prédictive. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 47/50

138 perspectives Amélioration de la modélisation modélisation thermique du convertisseur; amélioration du modèle électrique du MOSFET ; accélération de la modélisation du câblage ; intégration de la modélisation dans la CAO mécanique, Utilisation de l outil de simulation en conception prévisions de performances sur un onduleur intégré; nécessité de connaître les effets des sur-contraintes sur la fiabilité fiabilité prédictive. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 47/50

139 perspectives Amélioration de la modélisation modélisation thermique du convertisseur; amélioration du modèle électrique du MOSFET ; accélération de la modélisation du câblage ; Utilisation de l outil de simulation en conception prévisions de performances sur un onduleur intégré; étude du couplage puissance commande, dimensionnement des composants de l onduleur, nécessité de connaître les effets des sur-contraintes sur la fiabilité fiabilité prédictive. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 47/50

140 perspectives Amélioration de la modélisation modélisation thermique du convertisseur; amélioration du modèle électrique du MOSFET ; accélération de la modélisation du câblage ; Utilisation de l outil de simulation en conception prévisions de performances sur un onduleur intégré; nécessité de connaître les effets des sur-contraintes sur la fiabilité fiabilité prédictive. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 47/50

141 Remerciements Ce travail n aurait pas été possible sans... Valeo CEGELY Cédric PLASSE Philippe MASSON, Gaël BLONDEL Toute l équipe R&D électronique et Valeo Systèmes Electriques Hervé MOREL et Jean-Pierre CHANTE Dominique BERGOGNE, Bruno ALLARD Le thème D, et tout le laboratoire. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 48/50

142 Remerciements Ce travail n aurait pas été possible sans... Valeo CEGELY Cédric PLASSE Philippe MASSON, Gaël BLONDEL Toute l équipe R&D électronique et Valeo Systèmes Electriques Hervé MOREL et Jean-Pierre CHANTE Dominique BERGOGNE, Bruno ALLARD Le thème D, et tout le laboratoire. Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 48/50

143 Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance : application à l onduleur basse tension Cyril BUTTAY CEGELY VALEO 30 novembre 2004 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 49/50

144 Comparaisons obtenues avec le modèle constructeur ou sans câblage Mesure R G =2,3 Ω Simulation R G =2,3 Ω, modèle proposé Simulation R G =2,3 Ω, modèle ST Simulation R G =2,3 Ω, sans modèle de câblage 200 Pertes (W) Hz 20 khz 40 khz 60 khz 80 khz 100 khz 120 khz Fréquence de découpage Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 50/50