Chapitre I. Problématique des défaillances, et tolérance aux défauts d’un ensemble
3. Problématique des défaillances des composants et de la commande dans une stratégie de
3.3. Défaillances d’une cellule de commutation
Une cellule de commutation, ou bras d’onduleur, est composée d’un circuit allumeur (driver) et de deux interrupteurs bidirectionnels, deux I.G.B.T. T1 et T2 dans l’exemple de la Figure I. 14. Les deux interrupteurs semi-conducteurs sont commandés de manière complémentaire afin d’éviter le court-circuit de la source de tension E.
Issus d’études bibliographiques, il y a deux types de court-circuit au sein d’une cellule de commutation. Le premier court-circuit (cf. Figure I. 14), dit de type I, est lié à une possible commande erratique de l’interrupteur [Vallon(a) 2003][Richardeau 2002]. Ce défaut intervient lorsque la complémentarité de conduction des I.G.B.T. est interrompue suite aux défauts de commande. Le deuxième type de court-circuit, dit de type II, correspond à la défaillance physique suite à des défauts qui apparaissent au niveau de l’assemblage physique de l’I.G.B.T. (fatigue des brasures, délaminage des puces…etc.), ou bien issus d’une défaillance de la charge.
Figure I. 14 : Eléments d’une cellule de commutation (bras d’onduleur).
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-Nous avons reproduit expérimentalement au laboratoire ces deux défauts critiques, le court-circuit de type I, et le court-circuit de type II [Kolli 2011].
3.3.1 Court-circuit type I
Le circuit présenté en Figure I. 15 a été réalisé au laboratoire IFSTTAR LTN dans le but de reproduire expérimentalement les mêmes contraintes durant cette sollicitation subies par les semi-conducteurs (module Hybrid Pack1 sur la Figure I. 2). Les drivers industriels ne sont pas utilisés car ils sont munis d’une protection contre les régimes de court-circuit. Une approche comparative a été faite par simulation, à l’aide d’un modèle de composant type circuit sur le logiciel Simplorer®, et renseigné par des paramètres électriques issus de datasheets constructeurs.
Initialement, l’I.G.B.T. T1 est à l’état bloqué pendant que T2 reste passant (Vge2=+15V). En appliquant une impulsion de +15V sur le transistor du bas, le bras est court-circuité pendant une durée fixée à 5µs.
Figure I. 15 : Circuit d’essai de la cellule onduleur en court-circuit type I. Alimentation E=400V, température de semelle à 25 °C.
La Figure I. 16 montre l’évolution des tensions et du courant de court-circuit. A l’application du défaut, il apparaît un fort courant de court-circuit qui circule à travers les deux I.G.B.T. Sa dynamique est imposée par l’impédance équivalente du circuit (I.G.B.T., câblage…etc.). On remarque bien sur ces courbes que la tension aux bornes de T1 (chute directe Vce1) n’est pas nulle durant le court-circuit. Cela est dû à la désaturation de l’I.G.B.T. En effet, suivant les caractéristiques statiques des I.G.B.T Ic=f(Vce) (Figure I. 16-c), pour un courant de court-circuit Icc donné, c’est l’I.G.B.T. ayant la plus faible tension de grille à l’instant du défaut qui rentre dans sa zone de désaturation, et donc limite le défaut. C’est bien ce qu’on obtient dans notre cas, la tension de grille de T2 est préalablement imposée à +15V tandis que celle de T1, qui est initialement bloqué, est égale à la tension de seuil. L’I.G.B.T. T1
désaturé continue à limiter le courant et à supporter quasiment toute la tension du bus continu (VceT1 E).
Figure I. 16 : Formes d’ondes dans le cas d’un court-circuit type I.
(a) résultats de simulation, (b) résultats expérimentaux, (c) Caractéristique statique d'un transistor I.G.B.T. Ic=f(Vce) pour différentes tension de grille Vge
Une fois le défaut établi, le semi-conducteur conduisant un fort courant voit sa température interne augmenter rapidement. Cette élévation de température provoque une diminution du courant Ic. Cette diminution est due à la corrélation entre l’élévation de température et la dégradation de la mobilité des porteurs de charges au niveau du dopage, ainsi la résistivité de la région tend à augmenter [Benmansour 2006]. Le modèle de simulation utilisé ne tient pas compte de ce comportement électrothermique au moment des défauts. C’est pourquoi le courant Ic, obtenu par simulation, reste quasiment constant pendant le court-circuit.
La phase d’échauffement du composant va jusqu’à la coupure du courant Ic, c’est-à-dire qu’elle est composée de 2 phases (une phase de conduction et une phase de coupure). D’autre part, l’augmentation de la température peut être destructrice dans le cas où la température atteint les limites thermiques de la puce de silicium.
La capacité d’absorption d’énergie (surfacique) du silicium est d’environ 4J/cm² à 25°C. Dépasser cette limite engendre parfois la détérioration de la puce en court-circuit. Une énergie plus importante, de l’ordre de 40 J/cm2 provoque l’explosion de la puce, et sa destruction en circuit ouvert [Richardeau 2002].
Pendant la phase de conduction en court-circuit le transistor I.G.B.T. désaturé T1
400V). L’énergie de court-circuit Ecc dissipée dans le silicium est calculée par l’expression (I. 1).
Ecc = ∫ Pcc(𝑡) ∙ 𝑑𝑡 = ∫ v𝑐𝑒𝑐𝑐(𝑡) ∙ icc(𝑡) ∙ 𝑑𝑡 I. 1 où Pcc [W] représente les pertes, Vce_cc [V] est la tension collecteur-émetteur et Icc [A] est le courant collecteur pendant le court-circuit.
Durant le court-circuit, les deux puces de l’I.G.B.T. T1 désaturé absorbent une énergie de l’ordre de 1.58 J/cm², tandis que l’I.G.B.T. T2 n’absorbe que 0.82 J/cm². Cela confirme que le transistor désaturé est plus exposé à la défaillance (emballement thermique).
3.3.2 Court-circuit type II
Le court-circuit de type II correspond à la défaillance en CC d’un interrupteur ou de la charge pendant que l’autre composant du même bras est en conduction. La réalisation expérimentale de ce type de court-circuit physique est très délicate puisqu’il faut au préalable entraîner l’I.G.B.T. dans des conditions de défaillance. Néanmoins, le fait de remplacer l’interrupteur par un câble électrique permet de reproduire physiquement le stress de court-circuit de charge appliqué sur un seul I.G.B.T.. L’entraînement en court-court-circuit est alors réalisé par une simple impulsion sur la tension de commande de l’I.G.B.T. T1
Figure I. 17 : Circuit d’essai en court-circuit type II
câble électrique d’inductance de 0.1µH, de résistance de 1mΩ et durée d’impulsion à 10µs Dès que la tension de grille dépasse la valeur de seuil, le transistor se met à conduire le courant de court-circuit (Figure I. 17). Ce dernier augmente brusquement, sa pente est imposée par la valeur de l’impédance du circuit.
Le transistor T1, initialement sain, se désature mais capable de limiter ce courant de court-circuit. Cependant, cette forte amplitude de courant de court-circuit induit également ici une élévation de la température de la puce en silicium qui peut parfois atteindre la température intrinsèque du silicium (cas de la Figure I. 17-c). Notons que l’énergie dissipée dans ce court-circuit de 10µs est de l’ordre de 4.16 J/cm².
Figure I. 18 : Formes d’ondes dans le cas d’un court-circuit de type II.
(a) résultats de simulation, (b) résultats expérimentaux, (c) destruction en circuit ouvert.
En conclusion de cette partie expérimentale, rappelons tout d’abord que la défaillance de l’électronique est la plus commune et la plus critique. Elle conduit majoritairement à la rupture du service de la chaîne de traction ; un défaut sévère au sein du convertisseur ou de la machine peut à lui seul entraîner la perte (totale ou partielle) de contrôle de l'actionneur électrique. Aussi, afin d'améliorer la sûreté de fonctionnement de certaines d’applications (notamment dans le domaine d’aéronautique ou d’automobile), est-il nécessaire de prévoir la possibilité du fonctionnement en mode dégradé en présence de défauts dans l’un des éléments de la chaîne de traction électromécanique. C’est pourquoi la partie suivante dresse un état de l’art des architectures de convertisseurs d’interface tolérantes aux pannes offrant la possibilité de surmonter le défaut et d’assurer une continuité de service.