Module IGBT
3.9. Autres applications envisageables pour le module de conversion
Le module de conversion qui est présenté tout au long de ce chapitre a été conçu pour mener des essais de fiabilité en nombre et en durée, sur des modules IGBT. La méthode d’opposition présente beaucoup d’avantages et donc nous avons envisagé différentes utilisations possibles pour ce module de conversion. Ces utilisations peuvent être en rapport avec la fiabilité des modules IGBT, avec une approche différente de la nôtre ou concerner d’autres types de tests toujours sur des modules de puissance.
3.9.1 Autres essais de fiabilité
D’autres types d’essais de fiabilité sont envisageables avec le module de conversion. Il est tout à fait possible de faire évoluer les contraintes subies par les modules IGBT au cours du temps. L’exemple le plus connu, c’est le cyclage thermique. Dans ce domaine, ce module de conversion peut permettre différents essais :
- Les essais classiques de cyclage en température (très basse fréquence) comme les essais pratiqués sur les convertisseurs de forte puissance utilisés en traction, … Ces essais peuvent se faire en modulation de largeur d’impulsion, en agissant sur le système de refroidissement des modules IGBT.
- Des essais de cyclage basse fréquence où la fréquence de modulation varie sur une large plage (0 à 100 Hz). Ces essais sont très facilement réalisables en incluant uniquement dans la commande des ponts, des cycles de variation de cette fréquence pré-programmés.
Ces essais de fiabilité ne sont pas forcément orientés vers la détermination d’un taux de défaillance. Pour comprendre les différents mécanismes de dégradation et de vieillissement sous-jacents, il est possible de faire des essais sur des durées limitées.
Tous ces essais se font en fonctionnement onduleur de tension. Il est possible, en plus de modifier très facilement les paramètres de la modulation.
Lfiltrage Lfiltrage Inductance d’opposition Lfiltrage/2 Lfiltrage/2 Lfiltrage/2 Lfiltrage/2
Figure III.65 : dissociation des inductances de filtrage
L’avantage d’utiliser la méthode d’opposition pour ce type d’essai est de pouvoir s’affranchir de l’utilisation d’une alimentation et d’une charge de forte puissance, et donc de limiter le coût d’exploitation lors de ces essais (consommation d’énergie réduite).
3.9.2 Caractérisation de composants
De manière générale, la caractérisation des composants de puissance se fait en plusieurs étapes, et sur des matériels différents (entre la caractérisation statique et dynamique, par exemple). Un des avantages de la méthode d’opposition est de faire des mesures de pertes très précises (à condition de connaître les pertes dans les composants passifs). Sur ce module de conversion, il est possible de faire varier le point de fonctionnement des modules IGBT afin de faire des mesures de pertes en fonction : de la tension, du courant, de la température, de la fréquence de modulation.
Une autre possibilité consiste à tester les performances d’IGBT en commutation douce, en mode ZVS par exemple. La topologie du banc de test doit être modifiée en introduisant un contrôle de décalage de phase pour reproduire le mode ZVS ou le mode ZCS. Là aussi, les tests définis plus haut peuvent être reproduits afin de mesurer finement les pertes en commutation douce (en les comparant aux pertes en commutation dure).
3.9.3 Tests de qualité renforcés
Depuis quelques années, les fabricants de modules IGBT pratiquent des tests de qualité sur certains lots de composants, prélevés en sortie de chaîne de production. Ces tests sont normalisés et ont été présentés dans le chapitre I. Ces tests, très complets, peuvent être complétés par un essai sous contraintes nominales, sur une durée donnée (1000 heures, par exemple) en fonctionnement onduleur, sur le module de conversion. Ce test supplémentaire permettrait de s’assurer de la qualité de ces modules vis-à-vis de fonctionnement en commutation et garantirait aux acheteurs de ces modules, qu’ils peuvent les monter directement dans leurs convertisseurs, sans procéder à des essais de fonctionnement préliminaires.
En plus d’essai de qualité, ce module de conversion peut servir pour tester de nouvelles générations de modules IGBT. En effet, durant un seul essai, il est possible d’observer le comportement statique et dynamique d’une puce IGBT ou diode en phase de développement, comme par exemple, le courant de recouvrement pour une diode, le courant de traînage pour une puce IGBT ou le comportement des pertes par conduction et commutation pour l’ensemble du module. De plus, avec toutes les protections disponibles sur ce convertisseur, il est possible de tester des modules IGBT, et leurs protections internes le cas échéant, en régime extrême de fonctionnement (caractérisation à haute température, fonctionnement sous fort courant…).
3.9.4 Autres essais envisageables
Enfin, il est possible d’utiliser ce module de conversion comme un outil pratique (“charge”) dans l’étude des perturbations CEM émises et conduites. En effet, il est très facile de régler le point de fonctionnement des modules IGBT (courant, tension, di/dt, dv/dt…) donc, il est possible de fixer le courant absorbé par ce module et donc d’étudier les conséquences de ce courant riche en harmonique, sur une alimentation continue, par exemple. Bien entendu, ce type d’essai peut nécessiter des modifications minimes de la topologie du convertisseur (suppression des inductances de filtrage au niveau des cellules…) ou de la commande (injection d’harmonique sur le courant inter-bras).
3.10. Conclusion du chapitre
Ce chapitre a été consacré à la conception d’un convertisseur dédié à des essais de fiabilité en nombre, menés sur des modules IGBT de type bras d’onduleur. Durant cette conception, nous avons dimensionné les différents constituants de ce banc (inductances, capacités).
Un travail très important a été réalisé concernant les aspects thermiques de ce convertisseur. A partir d’un bilan de pertes, il a été possible de dimensionner un système de refroidissement. Ce système a été validé. Une investigation très poussée concernant la répartition du champ de température à l’intérieur du module IGBT a été menée par une mesure de température sur les puces et le packaging sous basse tension, complétée par une simulation couplée électro-thermo-fluidique du banc complet. Ces simulations ont été validées par une série de mesures infrarouges, toujours sous basse tension. Cette investigation s’est terminée par des essais en haute température, à flux de pertes nominal. Toutes ces enquêtes nous ont permis de définir
quelle est la température de jonction maximale pour une puce IGBT, quel est le gradient sur la puce, entre la puce et le boîtier… pour le point de fonctionnement que nous nous sommes fixés. Les derniers essais à haute température nous ont permis de fixer la température de jonction maximale pour nos futurs essais de fiabilité.
Durant la conception du module de conversion, une nouvelle stratégie de commande pour la méthode d’opposition a été mise au point. Cette commande, à base d’un circuit numérique, permet de contrôler très précisément le courant inter-bras, de s’affranchir de la chute de tension due aux “temps morts” et de régler le point de fonctionnement du convertisseur (courant, temps mort, fréquence de découpage …).
Une régulation de température a été mise en place afin de contrôler la température de semelle des modules IGBT, et donc, d’obtenir une température de puce constante et fixée à la valeur définie lors des essais à haute température.
Ce banc a été validé expérimentalement par des essais spécifiques, à toutes les étapes de la conception (validation thermique, mesure de pertes…) Une validation du banc complet a été menée sur un temps cumulé de 200 heures et pour les conditions de fonctionnement obtenues tout au long des chapitres précédents. Ces conditions de fonctionnement sont définies dans le tableau suivant :
Courant maximal 50A crête Fréquence de découpage 20 KHz
Tension de grille -/+ 15V Tension d’alimentation 437 V*
Cos ϕ 1** Fréquence de modulation 100 Hz***
Température de jonction
maximale pour les puces IGBT 150°C
****
* déterminée par le choix du seuil de tension des protections (cf. paragraphe 2.
** valeur donnée pour un équilibre des pertes entre les deux bras (cf. paragraphe 3.2.4.2) *** donnée pour limiter l’ondulation de température d’une puce IGBT (cf. paragraphe 3.3.3) **** déterminée à partir d’essai à haute température (cf. paragraphe 3.3.5)
Tableau III.7 : condition de fonctionnement pour les essais de fiabilité
Lors de ces essais, aucune défaillance n’est intervenue, sur aucune des composantes du module de conversion (module IGBT, carte de commande…). Ces essais se sont déroulés par intermittence et sans dispositif de surveillance.
La suite logique de la démarche que nous nous sommes imposée, consiste à mener un test de déverminage du module de conversion sur une longue durée (1 an). Pour cet essai, nous allons appliquer tout le processus de test défini au chapitre I et donc démarrer un essai de fiabilité complet sur quatre modules IGBT et huit condensateurs. Le démarrage de cet essai va nécessiter de compléter le module de conversion par un système d’instrumentation et de surveillance électrothermique, afin d’obtenir un banc de test de fiabilité complet.
L’exécution de cet essai est nécessaire pour valider la conception globale du module de conversion sur une longue durée, préalable à une duplication possible de cette entité de base pour mener des essais de fiabilité en nombre. Pour rappel, pour obtenir des données de fiabilité à partir d’essais, nous nous sommes fixés pour but de faire fonctionner simultanément 80 modules IGBT, soit 20 modules de conversion.