La technologie des convertisseurs de puissance est en constante évolution. Qu’il s’agisse de courant alternatif triphasé ou monophasé ou de courant continu, les concepteurs et les chercheurs dans le domaine de l’alimentation à découpage n’ont de cesse de chercher à innover tout en s’efforçant de respecter les normes les plus élevées en matière de sécurité et de fiabilité. Pendant des décennies, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) au silicium ont été le type d’interrupteur le plus couramment utilisé. Malheureusement, le silicium offre peu de possibilités d’évolution en vue d’obtenir un gain substantiel en efficacité et en densité de puissance. À la recherche d’une solution alternative, les concepteurs se sont alors tournés vers les dispositifs à large bande interdite comme ceux au carbure de silicium (SiC). Par rapport aux IGBT, les MOSFET SiC affichent des tensions de tenue similaires, voire meilleures. Ils possèdent également une faible résistance à l’état passant, mais sans les problèmes de courant de queue que l’on peut rencontrer avec les IGBT. Ils sont en outre capables de commuter à une fréquence plus élevée, ce qui permet de gagner en efficacité et en encombrement dans des applications de convertisseur de puissance et d’onduleur de traction.

Mais ce serait trop simple s’il suffisait de remplacer tout bonnement tous les IGBT par des MOSFET SiC. En effet, les composants passifs de support doivent être adaptés à la fréquence de commutation plus élevée des MOSFET SiC. Dans ce contexte, les condensateurs de liaison à courant continu jouent un rôle essentiel dans l’équilibrage de la puissance instantanée entre l’entrée et la sortie (voir figure 1). Ils peuvent en outre avoir à fournir une quantité d’énergie suffisante pour assurer la capacité de maintien du convertisseur.

Le choix des condensateurs n’est pas une chose que les concepteurs prennent à la légère, car ils ont bien conscience que ces éléments sont dans la pratique aussi la principale cause de défaillances. En effet, les onduleurs de traction et les convertisseurs de puissance sont souvent mis en œuvre dans des environnements difficiles et peuvent être soumis à des conditions extrêmes en termes de température, d’humidité et de vibrations. De plus, les clients recherchent plutôt des équipements physiquement plus petits et plus légers. Ces exigences entraînent une densité de puissance plus élevée, ce qui n’est pas sans poser quelques problèmes relativement complexes sur le plan thermique.

De nouveaux types de condensateurs de liaison CC

Les condensateurs de la gamme ModCap™ de TDK répondent aux besoins des concepteurs tant pour les IGBT que pour les SiC. Ces composants haute énergie ultra-compacts sont conçus pour répondre aux exigences de conception des convertisseurs de puissance destinés aux systèmes photovoltaïques et aux éoliennes, celles des onduleurs de traction utilisés dans les chemins de fer (trains légers, rames automotrices électriques) et des systèmes d’entraînement industriels (voir figure 2).

La série ModCap MF est adaptée aux modules IGBT en silicium, tandis que la série ModCap HF cible les environnements à haute fréquence des modules SiC. Leur enroulement de type plat ainsi que l’emplacement de leurs bornes (voir figure 3) reliées à un nouveau jeu de barres interne assurent des performances optimales. Ces spécificités permettent une conception mécanique où les condensateurs peuvent être placés au plus près des modules de puissance IGBT ou SiC. Elles participent en outre à l’excellente capacité des condensateurs ModCap à absorber les harmoniques haute fréquence vers les 1 Khz.

Rapprocher les condensateurs des commutateurs permet de réduire la longueur des fils entre ces composants et ainsi de réduire les inductances parasites jusqu’à 8 nH. De ce fait, le dépassement est limité lorsque le commutateur est mis hors tension, ce qui permet dans la plupart des cas de se passer de condensateurs d’amortissement. L’ESR sur la fréquence de fonctionnement varie de 0,3 à 3,0 mΩ pour la série MF (selon le boîtier sélectionné) et de 0,3 à 1,3 mΩ pour la série HF.

Atteindre les objectifs thermiques et électromagnétiques

Les enroulements plats se trouvent à l’intérieur d’un boîtier en plastique rempli de résine polyuréthane. Un film en polypropylène biorienté (BOPP), un matériau de très grande transparence, est utilisé comme diélectrique pour les deux familles de condensateurs. Le film est soumis à une méthode de métallisation unique qui confère aux condensateurs une autoréparabilité maximale, tandis que sa faible largeur permet aux condensateurs de supporter des densités de courant élevées tout en réduisant les pertes. Le parti pris de la conception, ainsi que le choix des matériaux, a permis de créer un condensateur capable de supporter une température de point chaud constante de 90 °C. Il est ainsi possible d’éviter le refroidissement forcé dans certaines applications, ce qui permet de faire des économies sur le plan du coût du système.

TDK propose en outre un modèle thermique pour l’analyse par éléments finis (FEA). Ce modèle a vocation à aider les équipes de conception qui rencontrent des problèmes d’ordre thermique dans leur assemblage mécanique, leur conception de jeux de barres ou leur système de refroidissement.

Il est également possible de réaliser des modélisations électromagnétiques dans le domaine temporel et fréquentiel (voir figure 4). Les pertes et leur répartition peuvent être déterminées sur le spectre en fréquence du courant en utilisant le spectre en fréquence du courant du client associé à la conception de condensateur de TDK. Il est également possible de calculer l’ESR, ce qui peut toujours être appliqué à une modélisation thermique supplémentaire.

Atteindre les objectifs de durabilité

D’importants efforts ont été faits pour réduire l’empreinte carbone de la série ModCap, notamment grâce au matériau biocirculaire BOPP. Il s’agit d’un film plastique élaboré à partir de matières premières renouvelables de deuxième génération certifiées ISCC provenant de déchets et de résidus (par exemple des huiles de cuisson usagées) générés entre autres par l’industrie du papier et de la pâte à papier. Chimiquement identique au film fabriqué uniquement à partir de matières premières d’origine fossile et offrant les mêmes propriétés électriques et physiques que celui-ci, le BOPP utilise des matières premières qui n’entrent pas en concurrence avec l’agriculture fourragère et la production alimentaire.

Des condensateurs de liaison CC robustes pour des convertisseurs compacts

Les condensateurs de la gamme ModCap MF (de type B25645) sont adaptés pour une tension nominale de 900 à 2 300 V CC et sont disponibles avec des capacités s’échelonnant de 335 à 3 900 µF. La tension d’ondulation maximale est de 424 V _{crête-à-crête} et les courants nominaux (1 kHz) vont de 105 à 200 A. Selon le type de construction choisi, la résistance thermique varie de 1 K/W (205 × 90 × 170 mm) à 1,4 K/W (220 × 115 × 215 mm). La bande passante de fonctionnement peut atteindre 50 kHz et l’inductance est inférieure à 14 nH.

Plus particulièrement destinés à satisfaire aux besoins des MOSFET SiC, les condensateurs de la gamme ModCap HF (de type B25647) disposent d’une bande passante de fonctionnement pouvant atteindre 100 kHz. Ils sont adaptés pour une tension nominale de 900 à 1 600 V CC et sont disponibles avec des capacités s’échelonnant de 640 µF à 1 850 µF. L’inductance est de 8 nH ou moins et la résistance thermique de 1,4 K/W (205 × 90 × 170 mm). Les deux séries de condensateurs affichent une durée de vie estimée à 200 000 heures.

Elles sont en outre toutes deux conformes aux normes internationales courantes en matière de condensateurs (notamment la norme CEI 61071), ainsi qu’aux normes du secteur ferroviaire, comme la CEI 61881-1 (matériel roulant) et l’EN 45545-2 HL3 R23 (sécurité incendie).