ECOLE POLYTECHNIQUE DE L’UNIVERSITÉ DE TOURS DEPARTEMENT PRODUCTIQUE OPTION ELECTRONIQUE Etude de la fiabilité des composants de puissance ACS de type TRIAC soumis à des contraintes en di/dt Laboratoire de Microélectronique de Puissance Université de Tours Mikaël MANCEAU Responsable universitaire : Thierry LEQUEU François DE NICOLO Responsable industriel : Benjamin CHERON ®
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Etude de la fiabilité des composants de puissance ACS de ... · puissance ACS de type TRIAC et plus particulièrement le modèle ACS108-6SX. La La méthodologie consiste à appliquer
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ECOLE POLYTECHNIQUE DE L’UNIVERSITÉ DE TOURS
DEPARTEMENT PRODUCTIQUE
OPTION ELECTRONIQUE
Etude de la fiabilité des composants de puissance ACS
IT(RMS) Courant efficace RMS on-statecurrent full cycle sine wave 50 to 60 Hz
Tlead = 60°C 0.8 A
VTM Chute de tension pour le courant crête ITM
ITM = 1.1 A, tp = 380 µs Tj = 25°C
MAX 1.3 V
IGT Courant de gâchette nécessaire pour amorcer le triac
Vout = 12 V (DC) RL = 140 Ω Tj = 25°C
MAX 10 mA
VGT Chute de tension entre G et A1 à IGT
Vout = 12 V (DC) RL = 140 Ω Tj = 25°C
MAX 1 V
IH Courant de maintien (valeur max)
Iout = 100 mA gate open Tj = 25°C MAX 60 mA
Figure 4- Paramètres de l’ACS108-5SX Remarque : Pour le modèle ACS108-6SX on a VDRM = 600V.
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3-3- Le circuit de test On souhaite appliquer sur le TRIAC un fort di/dt, pour cela, on utilise un CALC (Circuit
d’Aide à La Commutation) ou snubber. Généralement un CALC est utilisé afin de protéger les
triacs des forts dV /dt du réseau. Ce snubber est composé d’une capacité et d’une résistance
(voir figure 5, p.11). A la fermeture du triac, le condensateur du CALC se décharge et engendre
un fort di/dt sur le composant. La répétition de fort di/dt détériore progressivement le triac et
limite donc sa durée de vie. En modifiant les valeurs de la résistance Rs et du condensateur Cs,
on va ainsi modifier la valeur du di/dt appliqué et le courant de crête.
Figure 5-Circuit de test Nous allons désormais nous intéresser au banc d’essai qui permet de mettre en œuvre ce circuit
de test.
0
Rg = 2.2 k
VgACS108-6SX
Ve
Re = 22 k
Cs
Rs
SNUBBER
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3-4- Le banc de test Le banc de test est tout d’abord constitué de deux platines. Chacune des deux comportent 40
circuits de test (voir figure 6, p.12). Pour le moment, une seule platine est utilisable en même
temps. En effet, on a remarqué que lorsque les deux platines sont connectées des interférences
se produisent entre elles. Nous utilisons donc une platine, ce qui permet de tester au maximum
un échantillon de 40 composants.
Figure 6-Platine (40 circuits) Un dispositif (voir figure 7, p.12) permet d’alimenter les différents circuits de cette platine avec
une tension d’entrée sinusoïdale (f = 50 Hz) et un courant de gâchette (environ -10 mA).
Figure 7- Synoptique du banc de test
Ve
Vg
Amplificateur de puissance
isolé
Compteur
Contrôle par PC
Transformateur 230 V / 440 V
Circuit de test
Générateur d’impulsions
+synchronisation
Alimentation Veff variable
Réseau 230 V 50 HZ
Interrupteurs Démarreur ON/OFF
Transformateur230 V /230 V
(Isolation) PC
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Sur ce synoptique on retrouve la partie puissance et la partie commande du banc de test. La puissance (Ve) : On souhaite avoir une tension d’entrée sinusoïdale (50 Hz) réglable en amplitude afin de
modifier la valeur du di/dt appliquée sur les triacs. Pour cela on utilise une alimentation
connectée au réseau (230V, 50 Hz) par l’intermédiaire d’un démarreur. Cette alimentation nous
permet de faire varier l’amplitude du signal d’entrée. Pour amplifier cette tension, on utilise un
transformateur (230V/440V). Ce dispositif permet d’obtenir une tension de 600 V crête.
La commande (Vg) : On souhaite appliquer un pulse synchronisé avec le signal d’entrée afin d’enclencher le triac au
moment ou la tension VAK est la plus élevée. Pour cela on utilise un générateur d’impulsion
(voir figure 8, p.13).
Figure 8- Générateur d’impulsion On relie à ce générateur d’impulsion le signal d’entrée afin d’effectuer la synchronisation. Ce
générateur est aussi constitué d’un compteur. Il permet de réaliser des tests en mono impulsion
ou en en multi impulsions. Le mode multi impulsion peut être réglé sur trois pré-divisions
différentes (1/10/100). Entre chaque mesure on peut donc régler le nombre d’impulsions
appliquées sur les composants. La pré-division par 100 permet d’obtenir rapidement les limites
de fonctionnement du composant. La pré-division par 1 permet d’obtenir une plus grande
précision dans les tests. On peut ainsi déterminer plus précisément le nombre d’impulsions
nécessaires pour détériorer un composant.
Oscilloscope
Compteur
PC
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Un amplificateur de puissance permet ensuite de faire varier l’amplitude de notre tension de
gâchette. On applique une tension de -24 V permettant d’amorcer notre ACS108-6SX.
Pour effectuer les mesures on utilise un traceur 370A Tektronix relié à un PC par une liaison
GPIB (voir figure 9, p.14).
Figure 9- Le traceur L’ensemble du banc est piloté par des programmes développés sous le logiciel labview 6i.
3-5- L’interface Labview Les programmes Labview permettent la mesure des différentes caractéristiques électriques des
triacs ainsi que la gestion des mesures. Les caractéristiques relevées sont :
- la mesure des courants de fuites en direct et en inverse ;
- la mesure du Igt ;
- le nombre d’impulsions.
Remarque: L’amorçage des triacs se fait dans un seul quadrant à la fois que l’utilisateur peut
choisir par modification du câblage des platines.
Une interface graphique permet à l’utilisateur de configurer les paramètres des tests effectués
(voir figure 10, p.15). On peut activer les circuits que l’on souhaite testés, les circuits ainsi
sélectionnés sont indiqués en vert. A partir de cette interface, on peut aussi visualiser les
circuits où les triacs deviennent défaillants au cours du test. Les circuits sont alors indiqués en
rouge sur l’interface.
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Figure 10 - interface graphique Exemple de mode opératoire à partir de cette interface graphique : - Sélection du répertoire de travail (ex : L:\Groupe_TRIACS\ACS108\2005-01-05\test600V-1ohm)
- Sélection du fichier de configuration des mesures.
- Réglage de la pré-division. Elle doit correspondre à la position sur le module de comptage
(voir figure 8, p.13).
- Mettre la minuterie initiale sur 0 afin d’obtenir un pas minimum.
- Paramètre enlevé: Permet d’enlever les composants défaillants afin qu’ils ne subissent pas
d’autres impulsions pouvant les dégrader d’avantage.
- Paramètre mesure: Choix de la mesure sur les composants défaillants ou non.
- Paramètre initiale: Choix de la mesure initiale ou non.
- Indication des composants présents: Circuits numérotés de 1 à 40
- Appuyer sur GO pour démarrer le test.
Choix de la mesure initiale ou non
Choix de la mesure sur les composants défaillants ou non
Permet d’enlever les composants défaillants afin qu’ils ne subissent pas d’autres impulsions pouvant les dégrader d’avantage.
Détermination de la pré-division : 1/10/100
Circuits numérotés de 1 à 40
Détermination du répertoire de travail
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3-2-Présentation des moyens d’analyse statistique de fiabilité
Pour faire l’étude de fiabilité de ces triacs nous utilisons la distribution cumulée ou fonction de
répartition de Weibull à deux paramètres donnés par :
Dans cette expression :
-α représente la durée de vie de Weibull obtenue à F =63,2% et β le paramètre de forme.
-R représente la fonction de fiabilité.
Le paramètre de forme β est particulièrement important car il donne des indications sur la
physique des défauts :
-β<1 implique des défauts de jeunesse responsables de la mortalité infantile. En
microélectronique, on parle également de défauts latents. Ces défauts ne sont pas détectables
par une inspection fonctionnelle (tests électriques). Ces défauts proviennent certainement d’un
mauvais process qualité de fabrication. Les défauts de jeunesse sont caractérisés par un taux de
mortalité, ou de défaillance instantanée (‘hazard rate’) élevée en début de leur vie.
-β=1 implique des défauts dus aux hasard. Ce sont des défauts qui apparaissent pendant la vie
utile.
-β>1 implique l’usure des composants. Le taux augmente avec le temps.
Pour caractériser ce phénomène on peut visualiser la courbe en baignoire ci dessous (taux de
défaillance instantanée par rapport au temps).
Figure 11– Courbe en baignoire
Taux de défaillance instantané
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A partir de la distribution de weibull on calcule le taux de défaillance instantanée H qui est
défini par :
H(t)=β .t^(β-1)/α^β
Une loi de Weibull à deux paramètres ne permet de visualiser qu’un mécanisme de
dégradation. C’est pourquoi nous pouvons aussi une loi de Weibull à 5 paramètres. Car cette
loi permet de montrer que la population est scindée en deux sous populations de tailles
différentes et ayant leur propre mécanisme de dégradation.
Fonction de répartition de weibull à 5 paramétres :
= ( )F t − − 1 p e
−
th
b
( ) − 1 p e
−
tη
β
où :
-b et β sont les paramètres de forme des 2 sous populations.
-h et η sont les durées de vie caractéristiques.
-p est un facteur de proportionnalité entre les deux sous populations.
Pour tracer ces différentes distributions de weibull à deux où cinq paramètres on utilise le
logiciel weibull++.
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4- Méthodologie Pour étudier la fiabilité des TRIACS ACS108-6SX nous nous sommes servis du banc de
test(décrit précédemment p12,p13,p14) géré par le logiciel labview. En effet, à travers ce banc
on peut injecter de fort di/dt sur les TRIACS en jouant sur la tension d’entrée (Ve) via le
transformateur, sur la résistance du snubber (Rs) et sur la capacité du snubber (Cs).
Tout d’abord nous allons nous fixer sur 4 composants sur le banc et jouer sur les composantes
Rs, Cs et Ve afin de trouver le di/dt limite qui va engendrer la mort immédiate des composants,
c'est-à-dire au bout de quelques impulsions. Ce sont des tests dits de torture afin de trouver une
première limite mais aussi le défaut potentiel que ce di/dt entraîne sur les TRIACS ACS108-
6SX. Puis nous allons étudier l’évolution de ce défaut potentiel.
A chaque fois que nous avons réalisé des tests nous avons comparé les di/dt expérimentaux et
ceux simulés.
Ensuite nous allons optimiser les valeurs de Rs, CS et Ve afin d’obtenir des dégradations de
triacs dans le temps, c’est à dire obtenir une plus grande variation de dégradation par rapport
aux nombres d’impulsions.
Une fois ces valeurs optimisées nous allons passer sur 40 composants sur le banc pour obtenir
une plus large vision du comportement de ces triacs. Et par la suite ajustée les trois
composantes Rs, Cs et Ve afin d’obtenir des dégradations dans le temps mais aussi pour définir
une contrainte limite en di/dt de ces composants en faisant une étude statistique de fiabilité de
composants en utilisant la distribution de Weibull par le biais du logiciel Weibull++.
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5- Résultats
5-1- Simulation La simulation a été effectuée à l’aide du logiciel Orcad. 5-1-1- Modélisation du triac Nous avons utilisé un modèle paramétrable, le 2N6146, pour modéliser le triac.
Figure 12-Représentation du modèle La modification des paramètres de ce modèle permet de se rapprocher du comportement de
notre ACS 6SX. On a déterminé les caractéristiques à l’aide des paramètres de l’ACS 5SX.
Modèle obtenu :
5-1-2- Le circuit de test
Figure 13- schéma du circuit simulé
.subckt 2N6146 MT2 gate MT1 * Min and Max parameters X1 MT2 gate MT1 Triac params: + Vdrm=600v Idrm=2u Ih=60ma dVdt=500e6 Ton=1u + Igt=10ma Vgt=1v Vtm=1.3v Itm=1.1 .ends
ACS
2N6146
0
Rg = 2.2 k
Vg
Ve
Re = 22 k
Cs
Rs
L = 150 nH
Rc
ACS
2N6146
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On peut voir sur le schéma de simulation (voir figure 13 p.19) les différents éléments du circuit de test. - Le signal d’entrée Ve. C’est une tension sinusoïdale avec f=50Hz et Voff = 0V. Plus l’amplitude de cette tension est grande et plus le di/dt traversant le triac est fort. - Une résistance d’entrée Re = 22 kO qui limite le courant dans le TRIAC. - Le snubber (Rs et Cs). On sait que notre composant est robuste et résiste à de fort di/dt. On utilise donc une résistance de faible valeur (quelques ohms). Remarque: La résistance Rc permet de modéliser la résistance interne du condensateur (Cs) - Un pulse Vg d’une durée de 3 ms, d’amplitude -24 V, synchronisé avec le signal d’entrée. - une résistance Rg = 2.2 kO permettant de créer un courant de gâchette de -10.4 mA Remarque : On effectue la simulation avec une inductance de 150mH afin de refléter au mieux la réalité. Cette inductance permet de modéliser l’effet inductif des fils de notre montage. Par la suite on fera donc varier trois paramètres :
- la valeur de Cs - la valeur de Rs - l’amplitude de la tension d’entrée Ve
5-1-3- Résultats On commence par effectuer une simulation afin de visualiser l’allure des différents signaux. On prend Ve = 300V, Rs = 10 O et Cs = 22 nF et Rc = 41.6 mO
Légende : VAK (en rouge) Ve( en bleu) Vg (en vert)
14- Allure de VAK, Ve et Vg
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On peut observer la tension aux bornes du triac (voir figure 14, p.20). On voit que la durée du pulse ne permet pas de garder le triac enclenché sur un quart de période. Cependant cela n’est pas primordiale compte tenu du fait que l’objectif est simplement d’appliquer un di/dt le plus fort possible.
Figure 15- Allure du IAK On peut obtenir la valeur du di/dt en effectuant un zoom sur le pic de courant (voir figure 15, p.21). En superposant cette courbe avec celle de VAK on peut voir comment évolue la puissance instantanée (cf figure16 p.21).
Légende : VAK (en rouge) IAK( en bleu) P (en vert)
15- Allure de VAK, IAK et de la puissance instantanée
Time
0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40msI(L1)
-15A
-10A
-5A
0A
5A
10A
15A
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5-1-4- Exploitation A partir de cette simulation on peut donc déterminer le di/dt et le Imax obtenus en fonction des différents paramètres (Ve, Rs et Cs). Remarque : Toutes ces simulations sont effectuées dans le quadrant Q2. 1er Cas : Rs = 1 O, Cs = 22 nF et Rc = 41.6 mO La condensateur Cs = 22 nF possède une résistance interne Rc de 41.6 mO.
On a diminué la résistance du snubber afin d’augmenter le di/dt, mais cette diminution entraîne en même temps un phénomène d’oscillation. On retrouve l’allure d’un filtre LC (voir figure 17, p.23)
On peut voir que trois des composants ont été détériorés au bout de quelques impulsions.
Comme dans le test précédent le composant du circuit n°3 semble résister aux impulsions. On
peut donc envisager que cela est lié au circuit.
4eme test : Ve = 400 V, Cs = 47 nF et Rs = 0 O Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 364 A/us.
On effectue ce test sur quatre composants avec un pas de 2. Au bout de plusieurs cycles aucun
composant n’est détérioré. On poursuit donc le test avec un pas de 200. Les composants ne
présentent toujours pas de forts courants de fuites.
On va donc augmenter la tension d’entrée. On applique désormais une tension de 500 V en
entrée.
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5eme test : Ve = 500 V, Cs = 47 nF et Rs = 0 O Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 457 A/us. On effectue une nouvelle mesure sur quatre composants avec un pas de 200. Aucun composant
n’est détérioré, on passe donc à une tension de 550V.
6eme test : Ve = 550 V, Rs = 0 O Sur les circuits numérotés de 1 à 4 on a Cs = 47 nF
Sur les circuits numérotés de 5 à 8 on a Cs = 22 nF
On lance le test sur les huit composants. Tous les composants ont claqués après 1h10 de temps
de cycles soit 27022 impulsions. Ils présentaient tous un fort courant de fuite en inverse.
Dans le tableau ci-dessous, on retrouve le nombre d’impulsions nécessaire pour détériorer
chaque composant :
Valeur de Cs Numéro de circuit Nombre d’impulsions n°1 622
n°2 2
n°3 27022
47 nF
n°4 4622
n°5 2
n°6 2
n°7 2
22 nF
n°8 2
On s’aperçoit que les composants sur les circuits ayant une capacité de snubber de 22 nF sont
en moyenne plus rapidement détériorés que les autres. Cependant le di/dt théorique appliqué
avec une capacité de 22nF est inférieur à celui appliqué avec une capacité de 47 nF.
Rappel de la partie simulation :
Pour Ve = 550 V, Rs = 0 O et Cs = 47 nF on a di/dt = 505 A/us
Pour Ve = 550 V, Rs = 0 O et Cs = 22 nF on a di/dt = 338 A/us
Le fait d’avoir toujours utilisé les quatre premiers circuits est peut être une explication à ce
phénomène paradoxal. En effet les composants des circuits de test ont peut être été détériorés
au cours des essais précédents.
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7eme test : Ve = 500 V Sur les circuits numérotés de 1 à 4 on a Cs = 47 nF et Rs = 0 O
Sur les circuits numérotés de 37 à 40 on a Cs = 47 nF et Rs = 0 O
Sur les circuits numérotés de 5 à 8 on a Cs = 22 nF et Rs = 0 O
Sur les circuits numérotés de 33 à 36 on a Cs = 22 nF et Rs = 1 O
On a relevé la valeur du di/dt pour les trois cas grâce à un oscilloscope
Conditions : Ve = 500 V Cs = 22 nF Rs = 1 O Mesures : di/dt = 296 A/µs Imax = 49.2 A
Figure 20- VAK et IAK sur le circuit N°35
Conditions : Ve = 500 V Cs = 22 nF Rs = 0 O Mesures : di/dt = 352 A/µs Imax = 55.6 A
Figure 21 - VAK et IAK sur le circuit N° 6
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Conditions : Ve = 500 V Cs = 47 nF Rs = 0 O Mesures : di/dt = 400 A/µs Imax = 90.8 A
Figure 22 - VAK et IAK sur le circuit N°39
On peut comparer ces résultats avec ceux de la simulation :
500 V Cs = 22 nF et Rs = 1O Cs = 22 nF et Rs = 0O Cs = 47 nF et Rs = 0O
Caractéristiques di/dt
(A/µs) Imax (A)
di/dt (A/µs)
Imax (A)
di/dt (A/µs)
Imax (A)
Valeurs obtenues à l’oscilloscope
296
49.2
352
55.6
400
90.8
Résultat de la simulation
264
48
326
55
457
95.4
On obtient donc des résultats assez proches entre la réalité et la simulation. Pour l’instant nous avons essentiellement réalisé des tests sur des petits échantillons de
composants. Ces tests ont permis de mieux cerner les limites de l’ACS108-S6X. Cependant ils
ne permettent pas de tirer de conclusions sur la fiabilité des composants soumis à de forts di/dt.
Par la suite, nous allons donc réalisés des essais sur des échantillons de 40 composants afin
d’obtenir des résultats plus représentatifs.
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8eme test : Ve = 550 V, Cs =22 nF et Rs = 1 ohm Dans ces conditions, la simulation donne un di/dt de 291 A/µs. On effectue désormais le test sur 39 composants (tous sauf le circuit n° 3).
Après les mesures initiales, on s’aperçoit que quatre des composants présentent déjà des forts
courants de fuites en inverses. Après environ 60 millions d’impulsions il reste 27 composants.
On va s’intéresser à l’évolution des courants de fuites d’un composant. Pour cela, on utilise un
programme développé sous le logiciel matlab. Ce programme permet d’exploiter directement
les fichiers de mesures. On peut ainsi obtenir l’évolution des courants de fuites en fonction du
nombre d’impulsions.
On peut ainsi observer les courants de fuites du composant n° 5 (voir figure 23, p.30).
Figure23-Evolution des courants de fuites du composant N° 5
On peut voir que les courants de fuites sont variables d’une impulsion à une autre. Les courants de fuites ne suivent pas une tendance d’évolution.
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On observe maintenant l’évolution pour un composant qui devient défaillant au cours du test, le n° 21 par exemple (voir figure 2, p.2).
Figure 24-Evolution des courants de fuites du composant N° 21
On peut noter la présence d’un palier, en effet, les courants de fuites n’évoluent pas linéairement.