En étudiant le comportement thermique d’une cellule de commutation intégrée dans un module IGBT 6-Pack FUJI, nous avons proposé un modèle thermique compact permettant d’estimer par simulation numérique l’évolution des températures de jonctions dans le cas de régimes de fonctionnement à très basse fréquence. De par la forte excursion en température des puces de semi-conducteur, ces régimes de fonctionnement, non classique, sont dimensionnant. Notre objectif a été d’étudier un compromis entre l’emploi d’un modèle thermique très affiné et un modèle compact. Ce dernier présente l’intérêt d’être moins coûteux en temps de calcul et peut être plus ou moins affiné en fonction de l’application. Nous avons abouti à un modèle dont la structure « verticale » est assurée par huit cellules élémentaires de type RC. La diffusion latérale et les effets inter-puces sont modélisés à l’aide d’une structure latérale RC. Le modèle compact proposé est inséré au sein d’un simulateur reflétant le comportement électrique du module étudié.
Les résultats de simulation obtenus avec notre modèle RC-3D, confrontés à des outils très performants tels que la simulation par éléments finis, nous ont confortés dans nos choix. L’instrumentation électrique et thermique d’un module 6-Pack de type 6MBI300U4- 120 a été effectuée sur un banc de test et a permis d’obtenir de nombreux relevés. Le comportement à très basse fréquence, inférieur à 1Hz, a été analysé et montre des résultats de simulation très proches de nos relevés expérimentaux.
Le simulateur électrothermique développé permet aussi de contrôler l’évolution de la température de jonction du module 6-Pack dans le cadre de la commande des machines électriques. La simulation d’un cycle typique de démarrage d’une machine synchrone utilisée dans le cadre de la traction de véhicules électriques a été exposée dans la thèse de doctorat de M. Joe Antonios. A ce jour, l’identification des paramètres de notre modèle compact est empirique et mériterait une étude très approfondie. La suite de ces travaux aurait pu être envisagée sous cet angle et le banc de test développé permettrait de valider des algorithmes d’identification. Cela étant, comme évoqué lors de la présentation de mes activités de recherche, j’ai décidé de réorienter ma thématique sur les interactions dites « énergie - communication » en m’intéressant plus particulièrement au Courants Porteurs en Ligne (CPL) dans le cadre de l’électronique de puissance.
3.6 Production scientifique associée à ce travail
[RICL.8] J. ANTONIOS, N. GINOT, C. BATARD, M. MACHMOUM, Y. SCUDELLER: A model reduction approach for constructing compact dynamic thermal models of IGBT- modules of inverters, Microelectronics Journal, juin 2012, vol. 43, n°6, pp 345-352 [CICL.15] J. ANTONIOS, C. BATARD, Y. SCUCELLER, N. GINOT, M. MACHMOUM:
Methodology for constructing a compact electro-thermal model for IGBT-based power inverters, ELECTRIMACS 2011, 6-8 juin 2011, Cergy-Pontoise, France, 6 pages
[CICL.14] J. ANTONIOS, C. BATARD, N. GINOT, Y. SCUDELLER, M. MACHMOUM: Construction of a multi-frequency compact electro-thermal model for IGBT-based power inverters, 14th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), 30 août-1er septembre 2011, Birmingham, UK, 10 pages
[CICL.11] J. ANTONIOS, N. GINOT, C. BATARD, Y. SCUDELLER, M. MACHMOUM: Electro-thermal investigation of silicon power inverters operating at low switching frequencies, IEEE-EuroSimE'10, 26-28 avril 2010, Bordeaux, France, 5 pages
[CNCL.3] C. BATARD, N. GINOT, J. ANTONIOS, Y. SCUDELLER: Analyse électrothermique des modules IGBT. Modélisation et expérimentation, 14ème édition de la Conférence Electronique de Puissance du Futur (EPF), 5-7 juillet 2012, Bordeaux, France, 6 pages
[CNCL.1] J. ANTONIOS, N. GINOT, C. BATARD, Y. SCUDELLER, M. MACHMOUM: Modélisation électrothermique des onduleurs fonctionnant à très basse fréquence, 13ème édition Conférence d’Electronique de Puissance du Futur (EPF), 30 juin – 2 juillet 2010, Saint-Nazaire, France, 6 pages
4 Transport d’informations sur Réseaux Modulés en
Largeur d’Impulsions
Encadrement associé à ce travail :
v Stage de MASTER et Thèse de doctorat de M. Marc-Anthony MANNAH v Thèse de doctorat (en cours) de M. Jérémie JOUSSE
Collaboration industrielle associée à ce travail :
v Novéa Energie – CEA INES dans le cadre de la Thèse de doctorat (en cours) de M. Jérémie JOUSSE
4.1 Introduction
Ce dernier chapitre est consacré à une activité de recherche portant sur les Courants Porteurs en Ligne (CPL) dédiés aux réseaux Modulés en Largeur d’Impulsions (MLI). Cette activité de recherche a débuté sur le site de Nantes en fin d’année 2007. Comme évoqué dans le paragraphe «- II - 1 - Contexte », ces activités sont devenues peu à peu mes travaux privilégiés. Ils ont tout d’abord débuté dans le cadre des activités de rapprochement inter-équipes au sein du laboratoire IREENA. Aujourd’hui ces travaux font partie de l’équipe « Systèmes de Communications Numériques (SCN) » du laboratoire IETR. Notons qu’une équipe sur le site de Rennes de l’IETR traite des problématiques des CPL dédiés aux réseaux sinusoïdaux domestiques et aux applications embarquées à courant continu [WIL01]. Des activités connexes sur réseaux MLI sont abordées par Ahola J. et Kosonen A. au Lappeenranta University of Technology en Finlande [AHO01-03]. Dernièrement ces travaux ont été orientés sur les CPL pour réseaux continus à basse tension [PIN01].
Ce chapitre se décompose en cinq parties. A la suite de cette introduction, la deuxième partie traite des ensembles convertisseur-machine et de l’intérêt de la communication par CPL dans ce cadre. La troisième partie aborde le principe des onduleurs de tension et les contraintes liées à la commutation des semi-conducteurs. J’aborderai dans cette partie l’occupation fréquentielle de la tension présente en sortie d’un onduleur. La partie suivante est consacrée au couplage sur les réseaux MLI en présentant une structure avec filtrage passif du réseau de puissance puis une structure de coupleur adaptée aux réseaux MLI. La quatrième et dernière partie fait l’objet de résultats théoriques et expérimentaux obtenus sur des ensembles convertisseur-machine. Après une conclusion intermédiaire, un paragraphe
est consacré à la présentation d’activités en cours que nous avons avec un partenaire industriel et l’Institut National de l’Energie Solaire (CEA-INES).