Qu’est-ce qu’un module de puissance ?
Un module de puissance est un produit dans lequel les circuits liés à l’alimentation électrique sont intégrés dans un boîtier unique en combinant plusieurs semi-conducteurs de puissance.
En combinant les fonctions nécessaires dans un circuit intégré à semi-conducteur et en optimisant la conception à faible consommation, les modules de puissance peuvent être utilisés dans un large éventail de domaines, tels que l’équipement industriel utilisé dans les usines, les gros appareils électroménagers, les automobiles, le ferroviaire et les nouvelles sources d’énergie. Le marché des modules de puissance est toujours en pleine croissance.
Utilisations des modules de puissance
L’exemple le plus familier de module de puissance se retrouve dans les onduleurs des climatiseurs, des réfrigérateurs et des machines à laver. Ces onduleurs peuvent contrôler le nombre de tours du moteur en convertissant la fréquence.
En modifiant librement le nombre de tours du moteur, il est possible de réduire les mouvements inutiles, ce qui contribue aux économies d’énergie. En revanche, les climatiseurs dépourvus de variateurs n’auront pas d’autres fonctions que mettre le moteur en marche et l’arrêter, ce qui entraîne la répétition de mouvements extrêmes tels que la mise en marche et l’arrêt du climatiseur, provoquant une consommation d’énergie plus importante et inutile.
Les variateurs sont utilisés pour contrôler la vitesse du moteur et sont également utilisés dans les véhicules électriques tels que les HEV et les EV. Il est important que l’entraînement d’un véhicule ne soit pas seulement marche/arrêt, mais qu’il détecte et contrôle également la marche au ralenti des pneus.
Sans ce contrôle, le véhicule dérape. Dans les régions enneigées, la puissance doit être appliquée aux pneus de manière sûre et efficace, et un contrôle très fin de la puissance du moteur est important et indispensable.
Principe du module de puissance
Les modules de puissance se composent d’un certain nombre de transistors de puissance optimisés pour l’application d’alimentation pour laquelle ils sont requis dans un circuit intégré, ainsi que d’un circuit de commande de polarisation. Ils sont modularisés avec les composants environnants afin d’améliorer la tension de tenue ainsi que la vitesse et l’efficacité de commutation pendant le fonctionnement de l’alimentation. Une autre caractéristique de ce produit est qu’il est facile à utiliser, en tenant compte de la dissipation thermique du boîtier et du substrat.
Parmi les semi-conducteurs de puissance largement utilisés dans les modules de puissance, les transistors de puissance ont le plus large éventail d’applications et font actuellement l’objet d’un développement technologique actif, principalement par les fabricants de semi-conducteurs et de matériaux. Parmi les transistors de puissance, il existe plusieurs dispositifs semi-conducteurs, notamment ceux cité ci-dessous :
1. Transistors bipolaires
Les transistors bipolaires ont une structure simple et peuvent gérer de grandes quantités de puissance, mais ils présentent les inconvénients d’une vitesse de commutation lente et d’une consommation d’énergie élevée. Ils sont récemment devenus moins importants pour les applications des modules de puissance.
2. MOSFET de puissance
Les MOSFET de puissance (transistor à effet de champ à grille isolée) présentent l’avantage d’avoir les vitesses de commutation les plus rapides et une faible consommation d’énergie, mais ont aussi l’inconvénient de ne pas pouvoir gérer de grandes quantités d’énergie.
3. IGBT
Développés dans les années 1980, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) peuvent gérer de grandes quantités d’énergie. Comparés aux MOSFETs, ils sont capables de commuter des circuits un peu plus grands que les MOSFET. La configuration du circuit est une combinaison d’un MOSFET et d’un BJT (transistor à jonction bipolaire).
Autres informations sur les modules de puissance
1. Tendances des modules de puissance de la prochaine génération
Les SiC-MOSFET ont récemment attiré l’attention en tant que dispositifs pour les modules de puissance de la prochaine génération, car les substrats SiC ont une énergie de bande inédite plus élevée et une tension de claquage plus élevée que les substrats, ce qui permet d’augmenter la puissance d’un MOSFET initial.
Les IGBT peuvent également supporter une puissance élevée sur des substrats SiC, mais la structure bipolaire rend difficile l’augmentation de la vitesse de commutation, et les SiC-MOSFET, qui sont des dispositifs à forte puissance et à commutation rapide, sont actuellement considérés comme le principal choix pour les modules de puissance de la prochaine génération.
Dans la production de masse, les substrats SiC était auparavant composé de faiblesses qui sont maintenant surmontées, en partie grâce à l’émergence de fabricants de substrats capables de traiter des substrats de 6 pouces à la suite d’innovations technologiques.
2. Modules de puissance dans les VE
La tension de la batterie lithium-ion d’un véhicule électrique est liée au temps de charge, de sorte que l’objectif est de raccourcir le temps de charge par une charge à grande vitesse et d’améliorer l’efficacité du groupe motopropulseur. Les prochaines améliorations de l’efficacité du groupe motopropulseur, peuvent par exemple concerner une nouvelle augmentation de la tension nécessaire, passant du niveau actuel d’environ 400 V à 800 V.
Afin de gérer les moteurs haute tension des véhicules avec une bonne contrôlabilité, il est important de commuter le courant alternatif généré par le circuit inverseur à grande vitesse, et on utilise ici des dispositifs de puissance et des modules de puissance.