Couverture ElectroniqueS n°127

Le marché des démarreurs progressifs est appelé à prendre de l'ampleur dans les années à venir. Ce qui justifie le développement de modules à thyristors compacts améliorant la fiabilité des systèmes. Les SemiStart à contacts pressés de Semikron sont représentatifs de cette tendance. Aujourd'hui, le moteur le plus en vogue est le moteur à induction de type asynchrone triphasé. Ses avantages bien connus se résument en trois points : robustesse, faible coût et maintenance réduite. En pratique, pour un tel moteur, trois modes de démarrage sont envisageables : direct sur le secteur, en étoile-triangle ou progressif.Le démarrage direct sur le réseau implique un couple moteur initial très élevé, ainsi qu'un courant de démarrage intense. Le fort couple en sortie du moteur peut conduire à des dommages mécaniques, par exemple le déchirement du tapis roulant entraîné par le moteur. D'un autre côté, un courant de démarrage élevé se traduira souvent par des surtensions importantes sur le réseau. Les conséquences néfastes seront d'autant plus lourdes que la puissance du moteur est grande. Il est possible d'atténuer ces effets indésirables en contrôlant la tension appliquée au moteur dans la phase de démarrage. Cela signifie que le courant de démarrage et, de ce fait, le couple initial, seront limités (figure 1). Pour sa part, le démarreur étoile-triangle constitue une solution simple et classique. Tant que le moteur est dans sa phase d'accélération, les bobinages statoriques sont couplés dans une configuration en étoile. Ils sont ensuite couplés en triangle lorsque le moteur a quasiment atteint son régime nominal.L'effet résultant d'un couplage en étoile est que la tension appliquée sur chaque enroulement statorique est réduite à 1/v3 fois sa valeur nominale, et ce durant toute la durée de la montée en régime. Le basculement du couplage étoile vers le couplage triangle est généralement effectué par un relais électromécanique. Cette topologie étant caractérisée par deux états de couplage seulement (étoile et triangle), la notion de « contrôle de tension » est ici rudimentaire. De surcroît, ce mode de démarrage demande un entretien assez lourd. En effet, sous l'effet des arcs électriques, les contacts du relais électromécanique s'usent, nécessitant le remplacement régulier de ce dernier.Enfin, le démarreur progressif ou « soft-starter » assure un réel contrôle de la tension appliquée au moteur pendant sa montée en régime. Le pilotage de la tension y est réalisé par des thyristors (figure 2). Ceux-ci doivent faire preuve d'une grande robustesse afin de supporter des variations de température considérables, et également afficher une excellente aptitude aux cycles de puissance.Des contacts pressés pour une durée de vie accrueIl existe différentes façons de monter et de connecter une puce de silicium dans un composant. Dans la plupart des modules, la puce est brasée des deux côtés (anode et cathode). La chaleur générée dans le module est évacuée vers le dissipateur via la semelle, avec un refroidissement simple face (figure 3). Un problème de fond réside ici dans les coefficients d'expansion thermique des divers matériaux. Le silicium qui compose la puce du semiconducteur, la brasure et le cuivre (connectique de raccordement) sont en effet caractérisés par leurs propres coefficients.Au fil du temps et du fait des fonctionnements en cycles de puissance, intervient un phénomène de fatigue thermique dans les joints de brasure qui lient la puce aux conducteurs en cuivre. Au final, des délaminations apparaissent dans les brasures, c'est-à-dire des fêlures microscopiques au niveau des joints de brasure. La conséquence est une augmentation de l'impédance thermique, qui se traduit par un accroissement de la température de la puce et ultérieurement par sa destruction. Un tel problème se rencontre couramment dans les modules brasés.A l'inverse, dans les modules réalisés en technologie pressée, la puce est liée à son environnement par des contacts non brasés (figure 4). Une force de pressage de plusieurs kN est appliquée sur la puce afin de la mettre en contact avec les conducteurs de puissance. Il a été en pratique prouvé que les systèmes pressés offraient une tenue aux cycles de puissance bien supérieure à celle des systèmes brasés. Et tout particulièrement dans le cas de fortes charges, soit pour des courants nominaux excédant 200 A. Dès lors, dans les applications de démarreurs progressifs à forts courants, Semikron conseille vivement l'usage de composants qui, à l'instar des SemiStart, font appel à une technologie pressée.Un module SemiStart est composé de deux thyristors montés tête-bêche entre deux dissipateurs. Ceux-ci font aussi office de conducteurs électriques. Pour une compacité maximale, les dissipateurs ont été optimisés en fonction de la taille des puces. La résistance thermique globale entre la puce et les dissipateurs est bien inférieure à celle des composants conventionnels. En effet, les puces étant pressées sur leurs deux faces, le refroidissement s'effectue des deux côtés. Il en résulte une résistance thermique divisée par deux. Grâce à une meilleure efficacité de refroidissement, la taille de l'ensemble a pu être fortement réduite, à densité de courant donnée.Un autre avantage important des SemiStart réside dans l'extrême simplicité de leur mise en &oelig;uvre par le client. Celle-ci ne requiert aucune opération de pressage, contrairement aux opérations de montage requises avec des thyristors capsules, ni aucune dépose de pâte thermique, comme il est d'usage avec les modules classiques.Ils se déclinent en trois tailles différentes et en cinq calibres de courant (tableau). La gamme de courant s'étend de 500 à 3 000 A, pour un temps de fonctionnement (rampe de démarrage) de 20 s. Les thyristors employés sont caractérisés par une tension de blocage maximale de 1 800 V. Outre les démarreurs progressifs, les modules SemiStart trouveront leur juste emploi dans des applications comme les circuits de protection.

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