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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 .
La conception et l’assemblage « standard » d’un module I.G.B.T. avec semelle . Il s’agit d’un module I.G.B.T de puissance du concepteur industriel Infineon, de dernière génération destinés à des applications véhicule électrique. Les puces semi-conductrices en silicium sont brasées sur des substrats céramiques. Les fils connectiques (fils de bondings) de puissance et de commande sont soudés sur la surface supérieure des puces par des soudures en aluminium. Cette conception classique est disponible dès aujourd’hui pour différentes gammes de puissance.
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.
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.
Défaillance de l’électronique de commande
L’électronique de commande est l’élément matériel qui permet de traduire les ordres venant du système de contrôle au convertisseur (cf. Figure I. 7). Majoritairement, il s’agit d’un driver (ou allumeur) qui adapte les tensions de commande issues de la modulation (M.L.I.) (0V, +5V) aux tensions de grilles des composants semi conducteurs (-15V, +15V). Les deux interrupteurs de la même cellule sont commandés de façon complémentaire ; quand l’un est passant, l’autre est ouvert. Cette fonction est réalisée par le driver. Généralement, la défaillance de la commande des interrupteurs de puissance est associée à la défaillance des circuits drivers [Schwab 2003]. Les défaillances les plus critiques sont celles liées aux problèmes de connectique entre le driver et la carte de commande (impulsion de commande parasite, rupture des liaisons avec la commande, …), défaillance de la carte de commande et défaillance de l’alimentation des driver [Richardeau 2002 [Vallon(a) 2003]. Elles apparaissent sous forme de deux modes de défaillances :
❖ le driver est toujours actif et sa tension de sortie reste figée à l’état +15V
❖ ou bien toujours inactif où sa tension de sortie -15V ou 0V .
Du point de vue fonctionnel, l’apparition de ces anomalies peut avoir des effets néfastes sur tout le convertisseur. En effet, lorsque la sortie du driver est en permanence à l’état +15V, l’interrupteur reste donc à l’état passant. A ce moment, il peut y avoir un courtcircuit de la cellule (et de la source de tension, Ubat sur la Figure I. 7) si la voie de commande de l’interrupteur complémentaire reste intacte. Dans le cas contraire où la sortie du driver est toujours inactive, l’interrupteur concerné reste ouvert en permanence. On ne peut donc pas qualifier ce fonctionnement de défaut en circuit ouvert car la diode en antiparallèle (de roue libre) reste opérationnelle.
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Table des matières
Introduction générale
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
Conclusion générale
