Modélisation d’un module de puissance en vue du prototypage virtuel

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Verrous liŽs au dŽveloppement du VE

Le dŽveloppement du VE est bridŽ aujourdÕhui par une autonomie faible, un temps de chargement longs, et par un cožt de fabrication plus ŽlevŽ, comparŽ ˆ un vŽhicule thermique Žquivalent. DiffŽrents leviers permettent de lever ces verrous.
• La rŽduction de la consommation sur un trajet par une adaptation de la conduite et lÕinstallation de nouvelles infrastructures (optimiseur numŽrique de conduite, maintenance, bornes de recharges autorouti•res, etcÉ).
• LÕabaissement du cožt global peut se faire sur les mati•res premi•res, le processus de fabrication et les cožts de dŽveloppements.
Dans ce contexte, la chaine de traction constitue un ŽlŽment important permettant dÕamŽliorer les rende-ments, la masse et le cožt du syst•me. La phase de dŽveloppement et de conception des ŽlŽments qui la constitue est primordiale ; les outils de conception assistŽe par ordinateur sont devenus aujourdÕhui in-contournables.
Notre dŽmarche sÕinscrit dans le cadre de lÕoptimisation du cÏur de la chaine de traction : l’onduleur triphasŽ de puissance.

Les convertisseurs dans le domaine de la traction automobile

Dans le domaine de la traction Žlectrique, le syst•me de stockage fournit une tension utilisŽe non seulement pour propulser le vŽhicule mais aussi pour alimenter les diffŽrents syst•mes de confort, dÕassistance ˆ la conduite et ˆ la sŽcuritŽ du vŽhicule et de ses occupants. Les organes qui assurent ces fonctionnalitŽs fonctionnent souvent ˆ lÕŽlectricitŽ sans pour autant travailler aux tensions dŽlivrŽes par la batterie prin-cipale du vŽhicule (Figure I-9).
On trouve ainsi dans un vŽhicule principalement trois types de convertisseurs.
• Les convertisseurs AC-DC : redresseurs,
• Les convertisseurs DC-DC : hacheurs,
• Les convertisseurs DC-AC : onduleurs, gŽnŽralement triphasŽs.
Nous nous pla•ons dans le cas des modules de puissance des convertisseurs statiques qui assurent les fonctions de conversion dÕŽnergie (AC/DC ou DC/AC) pour les applications moyennes et fortes puissances en gŽnŽral et dans le domaine du VE en particulier.
Deux grandes familles de transistors sont utilisŽes aujourdÕhui dans ces convertisseurs : MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ou transistor ˆ effet de champ ˆ grille isolŽe) et IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ou transistor bipolaire ˆ grille isolŽe).
Le choix de ces composants dŽpend de plusieurs param•tres notamment les puissances et tensions ainsi que la frŽquence ˆ laquelle ils doivent commuter pour gŽnŽrer la forme du signal que lÕapplication requiert.
Pour les applications automobiles, les MOSFET et IGBT ˆ base de silicium sont principalement utilisŽs (Figure I-10). Dans ce domaine, la tension continue de la batterie est dŽcoupŽe ˆ des frŽquences allant de 5 ˆ 20 kHz. Ce dŽcoupage est gŽnŽralement rŽalisŽ par lÕutilisation des lois de commande de type MLI (Modulation de largeur dÕimpulsion), commande par hystŽrŽsis, commande vectorielle, etc…
De nouveaux matŽriaux Žmergent afin de remplacer le silicium : le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de Galium (GaN) [19]. Ces matŽriaux promettent des frŽquences de commutation plus ŽlevŽes, des pertes fortement rŽduites et des tempŽratures de fonctionnement plus ŽlevŽes qui permettront des syst•mes de refroidissement plus compact mais nŽcessiteront aussi une meilleure ma”trise de la CEM.
Que ce soit les MOSFET-SiC ou IGBT-Si, les composants nŽcessaires pour assurer la fonction de conver-sion DC/AC se prŽsentent sous la forme de modules.
Le moteur de traction dans un VE est triphasŽ, ceci implique que la structure dÕonduleur doit •tre com-posŽe dÕau minimum six interrupteurs bidirectionnels en courant constituŽs par lÕassociation dÕun IGBT ou un MOSFET avec une diode anti-parall•le.
La Figure I-11 reprŽsente quelques exemples de module de puissance qui Žquipent quelques-uns des vŽhi-cules ŽlectrifiŽs de rŽfŽrence.
On peut noter ici que les semi-conducteurs sont associŽs en parall•le afin de pouvoir commuter des cou-rants importants, ce dernier dŽpend de la puissance de la machine utilisŽe et donc de la gamme du VE (bas de gamme, haute gamme, utilitairesÉ).
On trouve par exemple dans la Tesla 10 puces IGBT par phase (soit 30 par module) pour son mod•le S afin dÕassurer les 1200 kW nŽcessaires pour ce vŽhicule, lorsquÕune Renaut ZoŽ nÕa besoin que de 12 puces IGBT par module pour assurer son fonctionnement nomina 400 V/300 A.

Le convertisseur de puissance dans la chaine de traction

Le module de puissance planaire

Le module de puissance constitue ˆ lui seul environ 40 % du cožt dÕun syst•me de conversion automobile [20][27]. Ainsi, m•me si un module remplit parfaitement le cahier des charges dÕun point de vue technique, il se peut quÕil ne soit retenu de par son cožt trop important. Celui-ci constitue un enjeu majeur pour les concepteurs et les exploitants du secteur automobile.
Pour diminuer le cožt de ces dispositifs, des efforts sont menŽs pour optimiser leur intŽgration, accro”tre la densitŽ de puissance volumique d’une part et amŽliorer la fiabilitŽ et les performances de conversion dÕŽnergie d’autre part.
Cette partie dŽfinira le contexte et les objectifs de notre travail. Nous ne nous intŽresserons qu’aux struc-tures planaires ou 2D des modules de puissance. Ce mode dÕintŽgration est tr•s rŽpandu et tr•s utilisŽ dans les applications automobiles en raison notamment de la bonne maitrise des procŽdŽs de fabrication et des cožts de cette technologie.
En nous appuyant sur un exemple, nous dŽfinirons les constituants des modules de puissance 2D, nous prŽsenterons ses points forts et nous aborderons ses principaux points faibles.

Description dÕun module de puissance planaire – cas dÕŽtude le module FS400

Les semiconducteurs de puissance utilisŽs dans un module de puissance sont des puces ˆ structure verti-cale, de type VDMOS, IGBT et diodes de puissance. La spŽcificitŽ de ces composants est leur fort calibre en courant, une faible chute de tension ˆ lÕŽtat passant et une grande tenue en tension.
On reprŽsente ˆ Figure I-12(a, b) la vue de dessus dÕun onduleur triphasŽ conventionnel ainsi que son schŽma Žlectrique Žquivalent.
La Figure I-12(c) prŽsente le principe dÕassemblage dÕun tel convertisseur. La prise de contact Žlectrique est rŽalisŽe sur la face avant du composant ˆ lÕaide de fils de bonding, tandis que la face arri•re est reportŽe sur une couche en cuivre dÕun substrat en alumine ou en nitrure d’aluminium de type DBC (Direct Bond Copper). Cette partie du module est composŽe de deux couches en cuivre de m•me Žpaisseur pour des raisons mŽcaniques et sŽparŽes par un isolant.
Le r™le du substrat DBC est dÕassurer comme mentionnŽ les contacts Žlectriques en face arri•re des puces et lÕisolation Žlectrique entre les points de tenue en tension dans le module ainsi que lÕŽvacuation de la chaleur dissipŽe dans les puces. Le substrat a aussi pour r™le dÕassurer la tenue mŽcanique globale de la structure.
La face arri•re du substrat est brasŽe sur une semelle en cuivre possŽdant de bonnes caractŽristiques thermiques pour acheminer et diffuser le flux de chaleur vers le radiateur. Les interconnexions en face avant entre les puces (et entre les puces et les connecteurs externes) sont rŽalisŽes par des fils de bonding en aluminium, parfois en cuivre ou en rubans ˆ base de ces deux matŽriaux Al/Cu. Il faut en revanche connecter en parall•le un nombre suffisant de fils de bonding afin de distribuer les forts courants qui traversent le composant.
Un gel vient ensuite finaliser l’isolement, protŽger ses constituants contre la corrosion et les agressions de lÕenvironnement extŽrieur, le tout est ensuite fermŽ par un boitier en plastique.
La Figure I-13 montre une vue de c™tŽ schŽmatique du module FS400 dans une configuration de montage industriel. Un bus-bar rŽalise la liaison Žlectrique entre le module et le condensateur du bus DC. La carte de commande est vissŽe directement ˆ l’extrŽmitŽ du module qui est fixŽ ici sur son refroidisseur.
La technologie 2D est largement maitrisŽe et adaptŽe pour une production ˆ grande Žchelle destinŽe ˆ diverses applications. Sa maturitŽ et la bonne connaissance technique par les industriels se manifestent ˆ travers la standardisation des dimensions des modules afin de les rendre intŽgrables et interchangeables dans n’importe quelle structure. Il est en revanche nŽcessaire dÕen prŽsenter les faiblesses, notamment dÕun point de vue Žlectrique.

Limitations des performances des modules de puissance classiques

LÕun des points les plus limitant dÕun module de puissance standard est typiquement lÕaspect inductif de la maille de commutation. En effet, les lyres de puissance, les pistes en cuivre du DBC ou encore les fils de bonding introduisent par la spŽcificitŽ des matŽriaux qui les composent des impŽdances parasites dans le module.
LÕinductance parasite provoquŽe par ces ŽlŽments peut dans certains cas dŽgrader le comportement Žlec-trique du convertisseur et ainsi limiter son aire de sŽcuritŽ. Les effets majeurs sont connus pour •tre :
-LÕapparition de surtensions et dÕoscillations aux bornes des semi-conducteurs lors des commutations.
-LÕapparition dÕun dŽsŽquilibre de courant entre les cellules de commutation notamment lors de la mise en parall•le de puces.
-La manifestation de couplages entre circuits de puissance et de commande ce qui se traduit gŽnŽralement par le ralentissement des commutations et par consŽquent lÕaugmentation des pertes par commutation.
-LÕintensification des perturbations ŽlectromagnŽtiques.
On prŽsentera dans le chapitre II une Žtude visant ˆ quantifier les diffŽrents ŽlŽments parasites ainsi que leur influence en termes de surtensions dans un module planaire pris comme cas dÕŽtude.
Il est nŽanmoins important de souligner que la maturitŽ de la technologie 2D vient aussi de la connaissance de ces phŽnom•nes par les industriels et des solutions mises en place afin d’y remŽdier. Dans un secteur de production ˆ grande Žchelle comme l’automobile, cette maturitŽ suffisante provoque le rejet frŽquent de nouvelles gŽomŽtries ou de nouveaux moyens d’assemblage qui nÕont pas encore rŽussi ˆ sŽduire les industriels, les assemblages 3D sont encore au stade des laboratoires.
Ainsi, nous avons voulu positionner nos travaux de recherche en restant dans le cadre de lÕassemblage 2D tout en proposant un degrŽ de libertŽ supplŽmentaire : il sÕagit de rŽduire efficacement les inductances parasites internes et d’intŽgrer des fonctions de dŽcouplage rapprochŽes.

DŽfinition du projet et contexte de lÕŽtude

Les travaux de cette th•se se dŽroulent en partenariat entre VEDECOM4 et le laboratoire SATIE dans le cadre du projet VEH02 qui sÕinscrit dans la dŽmarche du Ç le vŽhicule + Žlectrique È. Le but du projet est lÕoptimisation dÕun onduleur triphasŽ classique destinŽ aux applications automobiles. Pour ce faire, lÕune des solutions consiste ˆ intŽgrer des fonctions de dŽcouplage ˆ lÕintŽrieur de cette structure.
Le pŽrim•tre de lÕŽtude concerne particuli•rement la faisabilitŽ dÕune telle solution dÕintŽgration, la con-ception virtuelle dÕune architecture ˆ dŽcouplage intŽgrŽ, et lÕapport des routines dÕoptimisation appli-quŽes ˆ une telle solution.
Un cadre d’usage du module de puissance dŽfinit les contours de lÕŽtude :•
• onduleur triphasŽ classique : Žtude dÕun bras dÕonduleur fonctionnant en hacheur (Figure I-14) ,
• tension du bus continu : entre 400 V et 650 V, avec objectif de monter la tension ˆ 600 V,
• puissance : entre 25 kW et 50 kW, avec lÕobjectif dÕatteindre un fonctionnement 600 V/300 A, tout en assurant des surtensions ne dŽpassant pas 2 % de la tension du bus DC lorsque ce point de fonctionnement et considŽrŽ
• pertes par commutation : les pertes totales par commutation doivent •tre rŽduites dÕau moins 10% par rapport ˆ un convertisseur conventionnel
• frŽquence de dŽcoupage : entre 10 kHz et 15 kHz.
Par la mise en Ïuvre de routines dÕoptimisation, on verra que lÕobjectif de la montŽe en tension toute en rŽduisant les pertes par commutation est atteignable.

PrŽsentation du module sŽlectionnŽ

Le module de puissance HybridPACKª 1 FS400R07A1E3 (650 V, 400 A), dÕINFINEON est un onduleur triphasŽ destinŽ ˆ lÕalimentation des moteurs des vŽhicules Žlectriques et hybrides (20 – 30 kW). Son prix, sa compacitŽ et ses caractŽristiques Žlectrothermiques font de lui un module de puissance de rŽfŽrence pour le VE/VEH. On le trouve notamment dans la HYUNDAI Sonata et la KIA optima [29]. La RE-NAULT ZoŽ est Žgalement ŽquipŽe depuis 2012 dÕun FS400 600 V/400 A.

Table des matières

I Cadre et objectifs du travail
État de l’art du véhicule électrique
Le véhicule électrique d’aujourd’hui
La chaine de traction
Les convertisseurs dans le domaine de la traction automobile
Le convertisseur de puissance dans la chaine de traction
Contexte et axes de recherche
II Modélisation d’un module de puissance en vue du prototypage virtuel
Prototypage virtuel d’un module de puissance
Détermination des impédances parasites du convertisseur sélectionné
Modélisation des composants actifs – Simplorer®
Conclusion
III Exploitation de la simulation pour le prototypage virtuel
Etude de la commutation – Méthodologie de calcul adoptée
Performances à l’amorçage
Performances au blocage
Synthèse et conclusions
IV Vers une conception virtuelle qui maîtrise les surtensions : optimisation du découplage interne, du routage et de la résistance de grille
Vers la montée en tension sur le bus DC – Architecture à découplage intégré en vue de la réduction des surtensions
De l’analyse au prototypage virtuel d’un module de puissance – Le concept
Conclusion
V La conception inverse par algorithmes d’optimisation
La conception virtuelle par optimisation fonctionnelle
Optimisation sur plans d’expériences iso-puissances
L’outil d’aide à la conception
Vers l’hybridation du module de puissance à fonctions de découplage intégrées –
Conclusion
VI Conclusion générale et perspectives
Conclusion générale
Perspectives
VII Annexe
Modules de puissance avec découplage intégré – État de l’art
Feuilles des spécifications
Polynômes d’interpolation

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