Identification de défauts dans les convertisseurs statiques DC/DC à composants SiC destinés aux applications pile à combustible

Ces dernières années le gouvernement français oriente ses plans environnementaux vers l’électrification du secteur automobile pour résoudre les problèmes de raréfaction des ressources (pétrole, gaz naturel…) et de la pollution incessante de l’environnement qui nous entoure. Considérer de telles solutions, implique forcément le développement et l’essor des véhicules tout électriques (VE) et des véhicules hybrides (VH) dits véhicules décarbonés.

Ce sont des véhicules qui permettent un transport avec de très faibles émissions de gaz à effet de serre et qui ont beaucoup à offrir tant pour les utilisations individuelles que pour les utilisations dans le transport collectif. Cette électrification met au-devant de la scène la problématique de l’autonomie de ces catégories de véhicules. Dans ce cadre, les scientifiques et industriels du secteur concentrent à l’heure actuelle leurs recherches sur l’optimisation des rendements énergétiques lors de la transformation de l’énergie de la source électrique (du type PàC, batterie, super-condensateur) à la roue. Cette transformation énergétique doit pouvoir répondre, sans interruption du fonctionnement et à puissance garantie, aux contraintes des profils de mission et à l’actionnement du moteur qui propulse le véhicule. A ce titre, les objectifs pour les systèmes énergétiques vont de la réduction des volumes et des masses embarquées jusqu’à l’amélioration des performances.

La transmission énergétique à bord entre la source et la charge dynamique se fait par l’intermédiaire des structures de convertisseurs électroniques de puissance. Ces convertisseurs jouent un rôle clé dans l’adaptation des niveaux des tensions entre les différents étages de la chaîne de traction du véhicule, dans sa taille et dans la disponibilité de l’énergie nécessaire au véhicule qui représente un des objectifs rationnels fixés par les constructeurs automobiles.

Le convertisseur statique doit faire face aujourd’hui aux exigences de la fiabilité renforcée qui constitue encore un point critique. Un grand nombre de verrous scientifiques et technologiques sont à lever pour favoriser l’utilisation de l’énergie électrique dans les systèmes de transports. La démarche générale est donc de contribuer à la connaissance et à l’étude du comportement des composants qui constituent le convertisseur et qui, à leur tour, sont soumis à des conditions d’usage sévères. En particulier, les modules de puissance (MOSFET, Diode, IGBT) sont sont sièges d’interactions physiques importantes dues à leur exposition aux facteurs électro-thermo-mécaniques ; ils peuvent impacter fortement leur voisinage immédiat pouvant conduire dans certains cas critiques à l’indisponibilité de la globalité du système.

Généralités et structure du système étudié

Les énergies fossiles désignent les énergies issues à partir des matières premières comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Ces dernières sont utilisées comme combustible pour la production d’énergie électrique et thermique. Elles représentent aujourd’hui plus des trois quarts de la consommation mondiale d’énergie dans des applications automobiles et dans des applications stationnaires. Toutefois, lors de la production de ces énergies, des problèmes de pollutions apparaissent à cause des émissions, associées à cette production, des gaz à effet de serre (émissions de CO2).

Le secteur automobile, qui un des moyens de transport le plus fréquent, est considéré comme l’une des sources majeures des émissions de CO2 dans l’air. En effet, ces émissions sont estimées à 5,3 gigatonnes en 2011 par l’UNFCCC (United Nations Framework Convention on Climate Change) [1.1]. L’industrie prévoit de réduire ces émissions dans un rapport 90% – 95% d’ici 2050 [1.1]. Pour cela, les efforts des chercheurs et des industriels sont dirigés vers la recherche de solutions clés pour résoudre ce problème et ainsi pour limiter l’usage des ressources polluantes et épuisables. Cela passe par la recherche d’une alternative aux énergies fossiles traditionnelles, qui se traduit en une énergie propre. Dans ce cas, l’hydrogène présente comme un candidat prometteur pour remplacer les énergies fossiles. En effet, il s’agit d’un vecteur énergétique inépuisable qui est indiscutablement propre (car il réagit avec l’oxygène ne rejette que de la vapeur d’eau; pas de CO2).

La Pile à Combustible (PàC) se présente comme une solution sérieuse au problème de pollution. C’est une source électrochimique produisant de l’électricité à partir d’une simple réaction entre l’hydrogène, stocké dans un réservoir à haute pression, et de l’oxygène (disponible à l’air libre) tout en dégageant de la chaleur et de l’eau (H2O). Sa découverte date du XIXe siècle lorsque William Robert Grove a proposé la première PàC en 1839 [1.2]. Elle est considérée comme étant une alternative aux énergies fossiles (pétrole, gaz naturel), sources épuisables devant des demandes grandissantes, et dont l’utilisation est déconseillée au vu des nuisances sur la santé et les problèmes de pollution dus à l’effet de serre.

La PàC est utilisée dans les domaines automobiles [1.3], ferroviaires [1.4], aéronautiques [1.5] et même stationnaires [1.6]. Dans ces applications, le convertisseur de puissance a un rôle très important dans la transmission énergétique entre la PàC et les éléments récepteurs (moteur, auxiliaires, ou dans un cas tout simple : charge résistive coté bus bar…). Le conditionnement des flux électriques est donc assuré par cette interface de puissance. Cela implique de concentrer plus d’efforts autour de sa fiabilité (afin de garantir la continuité de service même en mode de fonctionnement dégradé suite à une apparition d’un défaut) avec des rendements importants [1.7].

Voiture électrique à Pile à Combustible 

La voiture électrique (VE), dite « voiture verte » ou aussi « voiture écologique », est l’emblème des transports d’aujourd’hui et de demain pour son impact positif sur l’environnement. Elle représente l’alternative la plus censée pour remplacer les motorisations thermiques traditionnelles. Elle aide à la diminution de la pollution à l’usage (rejetant peu de gaz toxique comme les oxydes de soufre SOx, les oxydes d’azote NOx et le dioxyde de carbone CO2) et aussi à la sauvegarde des ressources naturelles. Au cours des dix dernières années, des efforts considérables sont déployés conjointement par les gouvernements et l’industrie dans le but d’accentuer la production des VEs. L’année 2015 a vu un seuil global mondial de 1,26 million de voitures électriques, qui étaient encore mesurées en centaines en 2005. En 2014, seulement la moitié du stock de voitures électriques de 2005 subsistait. L’objectif de ces constructeurs est de s’affranchir de l’inefficience énergétique au niveau système et d’améliorer l’autonomie de la voiture par rapport aux véhicules conventionnels à essence ou diesel.

La PàC est un système de conversion énergétique prometteur dans les futures chaines de traction automobiles une fois que certains verrous technologiques (réponse dynamique électrique, coût élevé de l’hydrogène, durabilité, efficience énergétique au niveau système seront relevés. Il s’agit d’une source silencieuse qui n’émet aucun bruit (seuls quelques pompes, compresseurs et ventilateurs qui peuvent être bruyants). Ses avantages majeurs sont la propreté (aucun polluant rejeté), la fiabilité, l’insertion facile dans une voiture et la durabilité (jusqu’à 6000 heures en 2015 [1.9]. Elle peut être considérée comme une source principale d’énergie dans une chaine de traction d’un VE.

La pile à combustible : définitions, historique et principe de fonctionnement

La PàC est un convertisseur d’énergie qui assure la production de l’énergie électrique et thermique à partir d’une simple réaction de combustion de l’énergie chimique de l’hydrogène. En la comparant à la pile électrique classique, qui produit un courant électrique continu à partir des couples rédox métalliques, la PàC utilise un combustible (hydrogène) et un comburant (dioxygène) pour la génération de l’électricité sans émettre des produits polluants. En effet, tant qu’il y a du combustible, l’électricité est produite. Le composant dual de la PàC est appelé électrolyseur qui permet de former de dihydrogène gazeux (H2) à partir de l’eau et de l’électricité (provenant par exemple des éoliennes, des panneaux solaires et des centrales hydrauliques). La PàC est un moyen d’alimentation silencieux qui présente des rendements énergétiques généralement de l’ordre de 45% à 55% quand le rendement d’un moteur thermique d’automobile est de 25% à 30% (sur un point particulier de fonctionnement). De plus, la chaleur émise par la réaction électrochimique peut être valorisée, elle peut être évacuée sous forme d’eau chaude et de vapeur qui peut être par exemple utilisée pour le chauffage domestique ce qui n’est pas le cas des centrales de production de l’électricité dont la chaleur émise est perdue. Les PàCs sont constituées d’un assemblage de cellules électrochimiques. La tension à leurs bornes est de l’ordre de 0,7 V. L’association d’un certain nombre de cellules, appelée « multi-stacking », permet d’obtenir des tensions et des courants électriques adaptés aux besoins de l’utilisateur. Certains types de PàC sont capables de délivrer des puissances électriques conséquentes, de l’ordre du mégaWatt (exemple : MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) et SOFC (Solid Oxide Fuel Cel)) [1.13]. Historiquement, le premier prototype de pile à combustible a été inventée par William Robert Grove, juriste à la Royal Institution de Londres, en 1839 [1.14]. Il a présenté à l’Académie des Sciences de Paris une pile de petites dimensions capable de fournir des intensités supérieures à celles de toutes les piles connues à l’époque. Dès 1932, ses travaux ont été repris par Francis Thomas Bacon, qui a mis au point les premières piles fonctionnant au dihydrogène (H2) aptes de produire de l’énergie électrique. En 1930, le scientifique Bacon entreprend de développer un dispositif à partir de l’expérience de Grove et de perfectionner son modèle. Vingt ans plus-tard, il réussit à fabriquer une PàC d’un kW. En 1965, une première application majeure de la PàC est réalisée par la NASA dans le cadre du projet Gemini [1.15]. Les PàC sont depuis utilisées dans des différentes applications à travers le monde, comme vu dans la partie précédente. La France ne reste pas à l’écart de ces recherches. De nos jours, de nombreuses sociétés françaises s’y intéressent telles que ENGIE [1.16] et [1.17], Alstom [1.18], IFP (Institut Français de Pétrole) [1.19], ONIA (Office National des industries de l’Azote) [1.20], RENAULT [1.21], PSA [1.22].

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Généralités et structure du système étudié
1. Introduction
2. Voiture électrique à Pile à Combustible
3. La pile à combustible : définitions, historique et principe de fonctionnement
4. Montée en puissance par la modularité
5. Convertisseurs de puissance pour système PàC
5.1. Convertisseurs DC/DC non isolés
5.2. Convertisseurs DC/DC isolés pour PàC
6. Semi-conducteurs à grand gap
6.1. Avantages de SiC/GaN par rapport au Silicium
6.2. Composants semi-conducteurs en Carbure de Silicium (SiC) utilisés dans ce travail de thèse
7. Robustesse des transistors MOSFET en SiC soumis à des régimes extrêmes de court-circuit
8. Utilisation du driver des MOSFETs en SiC contre un court-circuit
9. Problématiques et objectifs de la thèse
10. Conclusion
Chapitre 2 : Etude du hacheur élévateur de tension à six phases parallèles entrelacées à base d’interrupteurs de puissance en SiC
1. Introduction
2. Dimensionnement du hacheur élévateur de tension à six phases parallèles entrelacées
2.1. Dimensionnement de l’inductance
2.2. Dimensionnement du condensateur
3. Modes de conduction du convertisseur de puissance
4. Contrôle de l’ensemble {PàC, hacheur élévateur à six phases parallèles entrelacées, charge}
4.1. Quelques définitions et principes généraux de contrôle
4.2. Stratégie de contrôle du convertisseur DC/DC et du bus continu
4.2.1. Détermination des ??? et ???
4.2.2. Synthèse des régulateurs de courant et de tension
5. Simulations sous PLECS©
6. Calcul des pertes et détermination du dissipateur thermique
6.1. Importance de refroidissement
6.2. Modèle thermique de type réseau RC
6.2.1. Réseau Cauer
6.2.2. Réseau Foster
7. Dimensionnement du refroidisseur pour le convertisseur de puissance utilisé
7.1. Calcul de la résistance thermique du dissipateur
7.2. Calcul des pertes des interrupteurs de puissance utilisés
7.2.1. Calculs analytiques des pertes du MOSFET
7.2.2. Calculs analytiques des pertes de la diode
7.2.3. Calculs numériques des pertes des interrupteurs de puissance utilisés
8. Solutions d’agencement pour le refroidissement du convertisseur
9. Modèle Foster des interrupteurs de puissance sous PLECS©
9.1. Identification des paramètres du réseau de Foster
9.2. Comportement thermique des modules de puissance intégrés dans le convertisseur DC/DC
10. Conclusion
Chapitre 3 : Fonctionnement en mode dégradé du hacheur élévateur de tension à six phases parallèles entrelacées dû à un défaut d’interrupteur de puissance
1. Introduction
2. Vue d’ensemble sur la fragilité des composants constituants le convertisseur DC/DC
3. Défauts d’interrupteurs de puissance utilisés dans un convertisseur DC/DC
3.1. Défauts de commande
3.2. Défauts de type circuit-ouvert d’interrupteurs de puissance
3.3. Défauts de court-circuit d’interrupteurs de puissance
4. Impacts des défauts d’interrupteurs de puissance sur le fonctionnement du système et intérêts de la détection et de la compensation
5. Méthode de détection de type court-circuit d’interrupteurs de puissance
5.1. Bibliographie
5.2. Présentation de la méthode proposée
5.2.1. Détection au milieu de l’état ON de l’interrupteur de puissance
5.2.2. Méthode améliorée pour la détection de court-circuit
5.3. Continuité de service en présence d’un défaut court-circuit d’interrupteur de puissance
6. Validation de la méthode développée pour la détection de court-circuit par simulations numériques sous PLECS©
6.1. Etapes suivies
6.2. Résultats obtenus
6.2.1. Cas du D=20%
6.2.2. Cas du D=80% avec une variation brusque de charge
6.2.3. Cas d’utilisation d’un transistor discret réel
7. Méthode de détection de circuit-ouvert d’interrupteurs de puissance
7.1. Bibliographie
7.2. Effets d’un circuit-ouvert sans détection ni compensation
7.3. Méthode proposée et intérêt de la détection et de la compensation
7.4. Validations numériques sous PLECS
8. Synthèse sur les résultats et sur les performances des méthodes de détection C-C et C-O
9. Conclusion
Conclusion

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