Soutenance mémoire
Les contraintes électrothermiques et mécaniques spécifiques à l’environnement VE et leur effet sur le composant
Cette partie adresse exclusivement les contraintes électro-thermo-mécaniques subies par les composants dans les conditions d’usage du VE. Parmi les composants semiconducteurs existants, les I.G.B.T. (Insulated Gate Bipolar Transistor) sont particulièrement bien adaptés à la propulsion électrique de puissance [Lefebvre 2004][Miller 2010] [Iqbal 2010], car ils comportent plusieurs atouts :
– faible résistance à l’état passant
– tenue en tension élevée.
– faibles pertes en conduction
– vitesse de commutation acceptable .
L’environnement de l’automobile est un domaine contraignant pour les composants semi-conducteurs en raison des cycles thermiques répétitifs (cycles marche/arrêt), du confinement thermique [Martineau 2010][Bouarroudj 2010] et de la variation périodique des pertes (échauffement) dans les composants. C’est donc un environnement sévère dans lequel les semi-conducteurs de puissance sont soumis à des contraintes thermiques, électriques et mécaniques accélérant leurs mécanismes de dégradation et de vieillissement [Bouarroudj 2007]. En effet, sous ces sollicitations fonctionnelles et environnementales hostiles, les efforts électro-thermo mécaniques endommagent, avec le temps, la structure interne du composant silicium finissant par un défaut en circuit ouvert ou court-circuit. Pour l’assemblage du module de puissance, la contrainte la plus défavorable est le cyclage thermique et de puissance.
Cyclage thermique et de puissance
Classiquement on distingue trois phases de fonctionnement dans les applications de traction électrique ;
● phase alternative (démarrage, arrêt, ou cas plus critiques : montée de trottoir, entrée d’autoroute)
● phase continue (propulsion du véhicule)
● phase d’immobilisation (recharge de la batterie) .
Habituellement, la chaîne de traction automobile devrait être capable d’assurer une dizaine de milliers de cycles [Schwab 2006]. Autrement dit, cela représente deux démarrages et arrêts par jour. Les cycles de démarrage et de freinage du véhicule sont caractérisés par un fort appel de puissance ; un couple de démarrage ou de freinage important. Ce cyclage est bien connu dans les applications de traction électrique. Il représente la cause prédominante de défaillance des composants semi conducteurs de puissance. Le cyclage entraîne de forte variation de la température au sein du composant et induit des contraintes thermo-mécaniques à l’ensemble des constituants du module. En sus des cycles consécutifs dus aux démarrages/arrêts s’ajoutent les cycles thermiques provoqués par la variation périodique des pertes dans les semi-conducteurs (I.G.B.T. et diodes). Cette variation résulte de la forme d’onde quasi-sinusoïdale des courants. Un exemple évident parmi d’autres ; lorsqu’un véhicule électrique roule à très faible vitesse sur une pente de montée et/ou avec une forte charge embarquée, les courants absorbés par le moteur sont importants (forte demande de couple). Cependant la vitesse (fréquence) à laquelle ces courants évoluent est en regard nettement plus faible. Par analogie, il en est de même pour la vitesse à laquelle évolue l’échauffement du silicium.
Toujours dans l’exemple du démarrage du VE, la forte densité de puissance injectée provoque une élévation locale de la température de la puce semi-conductrice (cf. Figure I. 9). La constante de temps thermique des différentes couches de matériaux (cuivre, alumine, silicium, aluminium, céramique…etc.) à cette sollicitation n’est pas identique en raison de la forte disparité des coefficients de conductivités thermiques [Carubelli 2003]. Comme la capacité calorifique des puces en silicium est faible, les semi-conducteurs ne permettent pas d’intégrer thermiquement ces variations [Ciappa 2002]. Ce qui induit des contraintes thermiques affaiblissant (avec le temps) certaines couches du packaging du module. Les contraintes mécaniques appliquées sur les éléments de l’assemblage sont les conséquences du stress thermique du cyclage. En effet, même ici la dilatation des couches de matériaux (silicium, cuivre, céramique…etc.) n’est pas identique et harmonique en raison de leurs différents coefficients de dilatation thermique. Il en résulte donc des efforts mécaniques (flexion, compression) qui viennent endommager la structure interne du module. Citons l’exemple de la semelle qui sert à la fois pour la fixation du module de puissance et l’évacuation des charges thermiques vers le refroidisseur. Cette dernière est soumise elle aussi à de fortes contraintes thermiques et mécaniques. De ce fait, l’interface de contact semelle-refroidisseur doit posséder le moins de défauts afin d’avoir une surface d’échange identique, donc une meilleure évacuation de la charge thermique.
Nous assistons récemment au développement de nouvelles technologies se montrant prometteuses et pouvant satisfaire les besoins de l’environnement automobile. L’approche d’assemblage dit à grille de connexion moulée isolée (IML, Insulated Molded Leadframe) [Morliere(a) 2012], destinée auparavant aux applications mécatroniques de faible puissance, est de plus en plus utilisée dans les applications VE. Un exemple très connu de cet assemblage est le module commutateur du système Stop&Start, nommé i-StARS, commercialisé par la société Valeo et disponible aujourd’hui dans les modèles Citroën C3, Peugeot 508 et la Smart Fortwo. Les intérêts majeurs de cette solution technologique concernent la limitation des coûts, la possibilité de personnaliser le design du composant tout en gardant une grande compacité, mais aussi de favoriser une production en masse [Bruyere 2008][Richard 2007]. En se basant sur cette première expérience, la société Valeo développe d’autres générations de modules IML, pour les systèmes Stop&Start d’une part, mais aussi dédiés aux systèmes de traction [Morliere(a) 2012] [Morliere(b) 2012] [Morliere(c) 2012]. L’objectif est d’étendre cette technologie à faible coût et à haute flexibilité de production vers la forte puissance et la traction électrique. Des entreprises et laboratoires spécialisés dans l’électronique de puissance, dont l’IFSTTAR LTN, se sont alors rejoints autour de cette problématique pour soutenir le développement de cette technologie [Dupont 2009][Dupont 2010 [Avenas 2012].
Les composants électroniques constituent les éléments les plus sensibles en termes de fiabilité [Schwab 2006]. Les débouchés des recherches récentes [Louis 2012] sur la sûreté de fonctionnement ont mis en évidence le taux de défaillance important de l’électronique par rapport aux autres éléments. Basées sur des normes de calcul prévisionnelles [UTE 2000] incluant les contraintes d’automobile (profil de mission, température d’environnement…etc), ce taux est évalué [Schwab 2004] à 80% avec une répartition équitable ; soit 40% pour les composants semi-conducteurs et 39% pour les circuits de commande. Du point de vue de la machine électrique de traction, les défaillances du bobinage représentent une cause de défaillance avec seulement un taux de 9% [Schwab 2004]. Ces données sont issues du retour d’expérience sur les chaînes de conversion électrique utilisant une machine synchrone à aimants permanents [Schwab 2004]. Le paragraphe suivant expose la problématique des défaillances des composants et de leur commande dans une stratégie de modulation M.L.I.
Problématique des défaillances des composants et de la commande dans une stratégie de modulation M.L.I
Les défaillances des semi-conducteurs apparaissent sous formes de court-circuit (CC) ou de circuit ouvert (CO) [Smet 2011]. Dans certains cas, le défaut circuit ouvert est l’ultime état de défaillance, pouvant apparaître après une défaillance en court circuit. Ces derniers sont critiques, se propagent à travers tous les éléments de la chaîne, compromettent l’intégrité du convertisseur et du moteur. Dans les systèmes de traction, le défaut le plus récurrent est le court-circuit représentant 85% des cas [Louis 2012][Schwab 2006]. Il est donc évident que l’électronique (de puissance ou de commande) soit la plus exposée et affectée par les contraintes d’usage, qu’elles soient d’ordre fonctionnelles ou environnementales. En conséquence, la fiabilisation du véhicule électrique passe donc par celle des composants semiconducteurs ainsi que des circuits auxiliaires de commande. Intéressons-nous alors à ces problématiques, de la défaillance de la commande à celle du composant.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Problématique des défaillances, et tolérance aux défauts d’un ensemble convertisseur machine dédié à une application véhicule électrique
1. Introduction
2. Les contraintes électrothermiques et mécaniques spécifiques à l’environnement VE et leur effet sur le composant
2.1. Cyclage thermique et de puissance
3. Problématique des défaillances des composants et de la commande dans une stratégie de modulation M.L.I
3.1. Défaillance de l’électronique de commande
3.1.1 Les imperfections liées à la commande M.L.I.
3.2. Défaillances de l’assemblage d’un module de puissance
3.2.1 Fissuration et délamination des brasures
3.2.2 La levée et craquelure des fils de bonding
3.2.3 Cassure et dégradation de la puce semi-conductrice
3.3. Défaillances d’une cellule de commutation
3.3.1 Court-circuit type I
3.3.2 Court-circuit type II
4. Architectures convertisseur polyphasées permettant d’assurer un fonctionnement à marche dégradée pour application VE
4.1. Reconfiguration de l’onduleur classique à trois bras
4.1.1 Fonctionnement à deux phases
4.1.2 Fonctionnement à deux phases avec un bras supplémentaire connecté sur le neutre
4.2. Segmentation de puissance
4.2.1 Architecture électronique en ponts en H alimentant une machine à phases séparées
4.2.2 Architecture électronique alimentant une machine double-étoile
4.2.3 Structures multi-phase
5. Architectures de recharge et de mutualisation des fonctions traction et recharge
5.1. Architectures mono machine
5.2. Architectures multi-machine multi-convertisseur
6. Positionnement des travaux de thèse dans le contexte du projet SOFRACI
7. Bilan et conclusion
8. Bibliographie
Chapitre II. Comparaison entre deux solutions d’électronique de puissance préindustrielles destinées aux applications VE
1. Introduction de la problématique abordée
1.1. Problématique de comparaison entre architectures convertisseur-machine
1.2. Cahier de charge et critères de comparaison
2. Etude comparative en mode traction
2.1. Fonctionnement sans défaut
2.1.1 Onduleur triphasé classique à trois bras
2.1.2 Onduleur triphasé à trois pont en H
2.1.3 Synthèse du comparatif en mode traction sans défaut
2.2. Fonctionnement en mode dégradé
2.2.1 Onduleur triphasé classique à trois bras
2.2.2 Onduleur triphasé en pont en H
2.2.3 Synthèse du comparatif en mode traction dégradé
3. Etude comparative en mode recharge
3.1. Convertisseur classique à trois bras
3.2. Convertisseur en pont en H
3.3. Synthèse du mode recharge
4. Architecture en pont en H avec tension de bus asservie
5. Bilan et conclusion
6. Bibliographie
Chapitre III. Analyse et synthèse de la commande rapprochée de l’onduleur sans défaut pilotant la machine en triphasé
1. Introduction de la problématique abordée
1.1. Structure de contrôle en couple de la MSAP
1.1.1 Modèle de la MSAP
1.1.2 Représentation du modèle de la MSAP dans un repère idoine
1.1.3 Structure de l’algorithme de contrôle en couple de la MSAP : autopilotage
1.2. Modulation de largeur d’impulsion
1.2.1 M.L.I. sur système comportant une voie unique – la M.L.I. intersective
1.2.2 M.L.I. sur système comportant trois voies équilibrées avec neutre flottant- la M.L.I. vectorielle
1.3. Point focal du chapitre III et grille de lecture
1.3.1 Point focal du chapitre III
1.3.2 Cahier des charges de la M.L.I. vectorielle associée à l’actionneur de couple
2. Commande rapprochée de l’onduleur en pont en H alimentant une MSAP
2.1. M.L.I. vectorielle de l’onduleur en pont en H alimentant une MSAP
2.2. Détermination des séquences de M.L.I. pertinentes
2.2.1 Séquence basée sur des vecteurs constitués de tensions monophasées bipolaires
2.2.2 Séquence basée sur des vecteurs à composante homopolaire nulle
2.2.3 Séquence cherchant à construire la composante homopolaire avec des vecteurs également utiles pour la machine principale
2.2.4 Séquence cherchant à utiliser des vecteurs de grande amplitude
2.2.5 Séquence cherchant à utiliser des vecteurs de faible amplitude
3. Etude comparative des cinq méthodes de M.L.I.
3.1. Maximisation des performances mécaniques
3.2. Maximisation du rendement
3.2.1 Minimisation des pertes par commutation
3.2.2 Minimisation des pertes supplémentaires
3.3. Mise en œuvre des stratégies M.L.I. dans l’asservissement de couple et ondulation de couple résultante
3.3.1 Ondulation du couple électromagnétique
3.3.2 Ondulation du courant homopolaire
3.3.3 Harmoniques des courants de phases
3.4. Sensibilité des stratégies M.L.I. aux imperfections de la réalisation de la commande.
3.4.1 Sensibilité des stratégies vis-à-vis de la quantification de la commande numérique
3.4.2 Sensibilité à la présence des temps morts
3.5. Sensibilité des stratégies M.L.I. aux imperfections de la machine
3.5.1 Distorsion harmonique des f.é.m.
3.5.2 Influence de la distorsion harmonique des f.é.m.s
4. Résilience des méthodes en mode dégradé
4.1. Problématique abordée
4.2. Capacité à maintenir un fonctionnement triphasé
4.2.1 Vecteurs-tensions accessibles après défaillance
4.2.2 Combinaison des vecteurs-tensions accessibles après défaillance
5. Conclusion
6. Bibliographie
Conclusion générale
