Entraînements motorisés
Les circuits d'entraînement standard sont traditionnellement placés dans un boîtier séparé du moteur, ce qui ajoute du poids et augmente la taille globale de l'architecture de l'entraînement. En outre, les câbles d'interface entre le circuit d'entraînement et le moteur ajoutent de l'inductance au circuit, ce qui peut entraîner une surtension transitoire du moteur par rapport à l'entraînement à haute fréquence. Cela peut également conduire à une conception inefficace en termes de densité de puissance.
Dans le monde actuel de la gestion de l'énergie, les transistors de puissance à large bande passante, comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), permettent aux concepteurs de réduire l'électronique de puissance en augmentant la fréquence de commutation. Et comme le SiC et le GaN sont beaucoup plus efficaces et dissipent moins de chaleur, des dissipateurs thermiques plus petits sont nécessaires. Cette taille réduite permet d'intégrer les composants de l'entraînement dans le moteur lui-même, ce qui permet d'obtenir un système plus léger et plus compact.
Cette amélioration de l'architecture est particulièrement importante pour les moteurs de traction des véhicules électriques dans le groupe motopropulseur, où le poids et l'efficacité sont les plus souhaitables. (Figure 1).
Figure 1 : Un groupe motopropulseur de véhicule électrique (VE), utilisant des MOSFET SiC, peut être créé dans un entraînement moteur modulaire intégré (IMMD) offrant un rendement plus élevé, des vitesses de commutation plus rapides et un fonctionnement plus froid, tout en répondant aux exigences de qualité rigoureuses de l'industrie automobile (Image reproduite avec l'aimable autorisation de Wolfspeed).
Avantages des éléments de puissance WGP
Les principaux avantages des dispositifs WBG sont dus à leurs pertes globales réduites, à leurs capacités de commutation rapide et à leurs capacités de fonctionnement à haute température. Le SiC et le GaN seront les principaux dispositifs WBG pour les architectures de puissance. En ce qui concerne les plages de tension des dispositifs WBG, les transistors de puissance GaN ont des tensions nominales allant jusqu'à 650 V, tandis que le SiC commence à 650 V et s'étend jusqu'à 10 kV dans les modules.
Les systèmes d'entraînement de moteurs dans l'aérospatiale, les systèmes de traction de véhicules et autres bénéficieront des WBG et IMMD. Outre la réduction de la taille et du poids, le coût plus élevé des dispositifs WBG peut être compensé par l'élimination de l'armoire séparée et des connecteurs et câbles associés. En outre, l'absence de câbles de connexion entraîne une réduction du courant de fuite dans l'isolation du bobinage du moteur, ce qui augmente la durée de vie du moteur et améliore les interférences électromagnétiques (IEM). Enfin, les coûts d'installation, de fabrication et de maintenance seront réduits.
En ce qui concerne les plages de tension des dispositifs WBG, les transistors de puissance GaN ont des tensions nominales allant jusqu'à 650 V, tandis que le SiC commence à 650 V et s'étend jusqu'à 10 kV dans les modules.
Hybrides SiC/Si
Figure 2 : Schéma de circuit d'un module d'alimentation haute puissance, à faibles pertes et fiable pour les onduleurs de traction (avec l'aimable autorisation de Mitsubishi).
Figure 3 : Commutation à grande vitesse pour SiC vs. Si (Image reproduite avec l'aimable autorisation de Mitsubishi)
Récupération inversée
Le courant de récupération inverse de la diode et les pertes de commutation de l'IGBT peuvent être considérablement réduits en remplaçant la diode PiN à roue libre en silicium par une diode à barrière Schottky (SBD) en SiC.
Les diodes à barrière Schottky SiC se caractérisent par une charge de récupération inverse nulle (Qrr) pour des opérations de commutation ultra-rapides. Le Qrr très faible des SBD SiC permet de réduire les pertes de commutation dans une application typique basée sur un IGBT à commutation dure. Cela permet de réduire la température du boîtier de l'IGBT, d'améliorer l'efficacité du système et éventuellement de réduire la taille de l'IGBT en silicium. (Figure 4)
Figure 4 : Reverse-recovery charge (Qrr) of 650V (figure on the left) and 1200V (figure on the right) SiC Schottky diodes and silicon bipolar diodes at various temperatures. The shaded areas represent the wasted energy due to the recombination of the minority carriers of the silicon bipolar diode. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de CREE)
Applications des dispositifs WBG dans les entraînements de moteur
Les dispositifs WBG offrent des avantages significatifs pour de nombreuses applications, y compris les commandes de moteurs. La figure 5 illustre les applications de moteurs à faible inductance, à haute vitesse et à haute température, les exigences importantes et les limites des solutions au silicium.
Figure 5 : Diverses applications des WBG dans les entraînements de moteurs (image tirée de la référence 1, ci-dessous)
Nous pouvons donc constater que les dispositifs WBG permettent d'utiliser efficacement des moteurs à haute puissance et à faible inductance qui nécessitent une fréquence de commutation élevée et une large bande passante. N'oublions pas non plus le véhicule électrique, qui utilise une électronique de puissance sophistiquée pour gérer le flux d'énergie entre la demande des roues, le moteur à combustion et les dispositifs de stockage. Les chargeurs de batterie constituent également une excellente application pour les dispositifs SiC. D'autres applications apparaîtront en fonction des besoins de l'industrie et de l'esprit fertile des ingénieurs concepteurs.
Références
- Dispositifs à large bande passante dans les entraînements électriques à courant alternatif : Opportunities and Challenges, Ajay Kumar Morya, Member IEEE, Matthew C. Gardner, Student Member IEEE, Bahareh Anvari, Member IEEE, Liming Liu, Senior Member IEEE, Alejandro G. Yepes, Member IEEE, Jesús Doval-Gandoy, Member IEEE, and Hamid A. Toliyat, Fellow IEEE, IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION, VOL. 5, NO. 1, MARS 2019
