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
1 Introduction 2 3 4 5 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 2/50
1 Introduction 2 3 4 5 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 2/50
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage 1 Introduction 2 3 4 5 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 6/50
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
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
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
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
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
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
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
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
Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET statique origine du R DSon Résistance spécifique (Ω.cm 2 ) 10 1 100 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
Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET statique origine du R DSon Résistance spécifique (Ω.cm 2 ) 10 1 100 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
Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET statique origine du R DSon Résistance spécifique (Ω.cm 2 ) 10 1 100 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
MOSFET statique modèle Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Courant de drain (A) 700 600 500 400 300 200 100 0 Modèle 2Kp Modele ST (spice) Mesure 12V 0 5 10 15 20 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
MOSFET statique modèle Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Courant de drain (A) 700 600 500 400 300 200 100 0 Modèle 2Kp Modele ST (spice) Mesure 12V 0 5 10 15 20 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
MOSFET statique modèle Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage Courant de drain (A) 700 600 500 400 300 200 100 0 Modèle 2Kp Modele ST (spice) Mesure 12V 0 5 10 15 20 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
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) 12 10 8 6 4 2 0-5.0u 0.0 5.0u 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
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) 12 10 8 6 4 2 0-5.0u 0.0 5.0u 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
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
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) 700 600 500 400 300 200 100 identification automatisée 0 par recuit simulé. -100 0 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode dynamique Courant de drain (A) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 mesure simulation tension simulation courant 10 0.0 s 500.0 ns 1.0 us 1.5 us 2.0 us 5 Temps (s) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 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
Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode dynamique Courant de drain (A) 20 15 10 5 0 mesure simulation tension simulation courant 20 15 10 5 0 Tension drain source (V) Un transistor en commutation Grille et source du transistor sous test court-circuitées 5 0.0 s 500.0 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
Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage MOSFET Caractérisation de la diode statique 400 350 simulation mesure Forte influence sur les pertes dans un onduleur Courant d anode (A) 300 250 200 150 100 2 paramètres : 50 V bi et V n0 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 Tension anode cathode (V) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 15/50
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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) 30 20 10 0 10 40 30 20 10 0 10 20 10 0 10 2 mesure 1 simulation 0 1 2 4u 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
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) 30 20 10 0 10 40 30 20 10 0 10 20 10 0 10 0.2 mesure 0.1 simulation 0.0 0.1 0.2 4u 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
Câblage Influence sur la commutation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage V DS (V) 30 20 10 0 L D =1n L D =5n L D =20n L D =50n 6.0u 6.5u 7.0u 11.0u 11.5u 160 120 ouverture fermeture I D (V) 80 40 0 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
Câblage Influence sur la commutation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage V DS (V) 30 20 10 0 L S =1n L S =5n L S =20n L S =50n 6.0u 6.5u 7.0u 11.0u 11.5u 160 120 ouverture fermeture I D (V) 80 40 0 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
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
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
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
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
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
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
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
Câblage Méthodes de modélisation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage L 1 M 12... M 1n L 2... M 2n.... L n Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 24/50
Câblage Méthodes de modélisation Modèle statique du MOSFET Diode du MOSFET Capacités Influence du câblage 0 B @ L 1 M 12... 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
Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche 1 Introduction 2 3 4 5 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 25/50
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
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
Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Température ( C) 30.4 30.2 30.0 29.8 29.6 29.4 29.2 29.0 28.8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 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
Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Température ( C) 30.4 30.2 30.0 29.8 29.6 T 29.4 29.2 29.0 28.8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 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
Méthodologie Principe du calorimètre Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche Température ( C) 30.4 30.2 30.0 29.8 29.6 T 29.4 29.2 29.0 28.8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 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
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
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
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
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
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
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
Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche 160 140 120 Mesure R G =100 Ω Simulation R G =100 Ω Mesure R G =2,3 Ω Simulation R G =2,3 Ω Pertes (W) 100 80 60 40 20 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
Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 1 30 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 10 70 A 11 70 A 12 70 A Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50
Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 1 30 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 10 70 A 20 V 11 70 A 20 V 12 70 A 20 V Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50
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 10 70 A 20 V 100 Ω 11 70 A 20 V 2,3 Ω 12 70 A 20 V 100 Ω Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50
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 10 70 A 20 V 100 Ω 2 µs 11 70 A 20 V 2,3 Ω 400 ns 12 70 A 20 V 100 Ω 400 ns Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50
Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G γ E commut. P cond. 1 30 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 % 10 70 A 20 V 100 Ω 2 µs 7 % 29 % 11 70 A 20 V 2,3 Ω 400 ns 23 % 10 % 12 70 A 20 V 100 Ω 400 ns 7 % 2 % Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 31/50
Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G γ E commut. P cond. 1 30 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 % 10 70 A 20 V 100 Ω 2 µs 7 % 29 % 11 70 A 20 V 2,3 Ω 400 ns 23 % 10 % 12 70 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
Calorimétrie Résultats Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche N I 0 U 0 R G γ E commut. P cond. 1 30 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 % 10 70 A 20 V 100 Ω 2 µs 7 % 29 % 11 70 A 20 V 2,3 Ω 400 ns 23 % 10 % 12 70 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
Mesures temporelles Résultats 20 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche V DS (V) V DS (V) 10 0 20 10 0 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
Mesures temporelles Résultats 20 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche V GS (V) 10 0 mesure simulation V GS (V) 10 20 10 0 50u 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
V DS (V) V DS (V) Introduction Mesures temporelles Résultats 30 20 10 0 10 30 20 10 0 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
Mesures temporelles Résultats 20 Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche V GS (V) 10 0 mesure simulation 10 V GS (V) 20 10 0 50u 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
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
Méthodologie Calorimétrie Mesures temporelles validation du modèle d avalanche MOSFET du modèle électrothermique de l avalanche résultats Modèle 1D «corrigé» Bons résultats Température ( C) 140 120 100 80 60 40 mesure Température simulée V DS simulé 31.0 30.5 30.0 29.5 29.0 28.5 0 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
Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche 1 Introduction 2 3 4 5 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 35/50
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
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
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
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
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) 60 55 50 45 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
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) 60 55 50 45 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
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) 250 200 150 100 50 0 50 4u 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
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 0 20 40 60 80 100 Résistance de commmande (Ω) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 38/50
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) 350 300 250 200 150 100 50 0 50 4u 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
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 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Résistance de commmande (Ω) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 39/50
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
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
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
Mise en parallèle Stabilité de l association résultats Mise en parallèle statique Mise en parallèle dynamique Mise en parallèle stabilité Mise en parallèle avalanche 20 15 Modèle de transistor modifié pour être instable Capas/10, Rg nulle STB210NF02 stable V GS puce (V) 10 5 0 5 10 15 20 15us 20us 25us 30us 35us 40us 45us Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 42/50
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) 140 120 100 80 60 40 20 0 MOS n 1 MOS n 2 MOS n 3 MOS n 4 20 40us 41us 42us 43us 44us Temps (s) Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 42/50
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
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
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) 450 400 R BR =1 mω 350 300 250 200 150 100 50 0 50 40u 60u 80u 100u 120u 140u 160u Temps (s) Température ( C) 90 80 70 60 50 40 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
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) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 50 R BR =1 mω R BR =12 mω 40u 60u 80u 100u 120u 140u 160u Temps (s) Température ( C) 90 80 70 60 50 40 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
1 Introduction 2 3 4 5 Cyril BUTTAY Contribution à la conception par la simulation en électronique de puissance 45/50
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Comparaisons obtenues avec le modèle constructeur ou sans câblage 300 250 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) 150 100 50 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 50/50