CHAPITRE 1 : Etat de l’art - Chaîne de traction des Tramways actuels
IV. Co-simulation électrique et électromagnétique dans le but de mettre en œuvre des bancs
IV.3 Etude de la mise en parallèle de 3 modules de puissance MOSFET-SiC
Pour compléter l’étude de mise en œuvre des modules MOSFET-SiC, nous souhaitons mettre en œuvre jusqu’à 3 modules de puissance MOSFET-SiC en parallèle afin d’atteindre les niveaux de courant requis pour la traction ferroviaire (jusqu’à 600A sur la sortie d’un bras). Cette mise en parallèle sera réalisée sur un second banc d’essai. Ce banc d’essai en opposition est basé sur un pont en H sur charge inductive. Il permettra de fonctionner en mode hacheur ou onduleur de tension (pour
plus de détails voir Chapitre 5). L’association en parallèle de MOSFET ne devrait pas poser de problèmes particuliers sur le plan statique puisque ils ont un comportement électrothermique positif. C’est-à-dire, que la résistance à l’état passant augmente lorsque la température augmente. En revanche, pour les aspects dynamiques cela est beaucoup plus délicat puisque nous visons des vitesses de commutation élevées. Le moindre déséquilibre sur les commandes de grille ou les déséquilibres temporels liés aux chemins du circuit de commande ont des conséquences sur la répartition des courants. Ces phénomènes transitoires pouvant dans le pire cas causer la destruction de modules ou le plus souvent causer un vieillissement prématuré d’un des composants de l’association. Le premier point à maitriser pour effectuer une mise en parallèle correcte est d’avoir une faible disparité sur les caractéristiques des modules de puissance. Dans notre cas, nous disposons de très peu de modules qui sont issus d’un même lot de fabrication. Cela signifie que leurs disparités sont limitées (voir essais présentés au Chapitre 4). Le deuxième point à maitriser est le circuit de commande afin d’avoir des tensions de grille équilibrées. Enfin, le dernier point est de maitriser la conception du circuit de puissance. Dans le cas d’applications de forte puissance, ces trois points sont souvent liés par les géométries des différents éléments à associer (carte de distribution de la commande, bus-barre de puissance, condensateurs, modules). Pour appréhender ces différents problèmes nous allons effectuer une étude préalable de co-simulation électrique et électromagnétique. Elle va nous permettre d’améliorer les géométries afin de réduire les déséquilibres statiques et dynamiques entre composants. Nous allons commencer par présenter la géométrie finale que nous avons retenue pour ce banc d’essai (voir Figure 24). Puis, nous rentrerons plus en détails sur les différentes simulations et modélisations effectuées qui ont permis d’aboutir à cette version.
Figure 24 - Conception mécanique finale retenue pour le banc d’essai « méthode d’opposition » (logiciel Solid Edge®), permettant la mise en œuvre de 3 modules de puissance MOSFET-SiC en parallèle.
Pour ce banc d’essai « méthode d’opposition », la mesure des courants dans les interrupteurs ne se fera plus par Shunt. En effet, il faudrait disposer de trois Shunts qui sont beaucoup trop intrusif et entraineraient de plus un échauffement excessif. Nous allons donc privilégier une mesure par tores de Rogowski (détails sur les appareils de mesure au Chapitre 4). Pour cela, de petites entretoises sont placées entre le bus-barre et les connectiques des modules. Ces entretoises ne dégradant que
faiblement la mise en parallèle des modules et l’inductance de la boucle de puissance. L’utilisation de tores de Rogowski avec une boucle de faible taille permettra de disposer d’un appareil de mesure ayant une bande passante de 6Hz à 20MHz. Au-delà de la bande passante limitée, il faut aussi noter que cette méthode amène un décalage temporel dans la mesure. Les mesures donneront donc une idée des formes d’ondes des 3 courants dans les 3 packs mais ne permettra pas de caractériser de manière précise la commutation. Cela ne posant pas de problème puisque les mesures précises à l’échelle de la commutation sont effectuées sur le banc d’essai mono-coup qui lui comporte un Shunt de courant.
Pour effectuer la commande des 3 modules de puissance en parallèle, plusieurs solutions sont possibles, la solution retenue utilise un étage de sortie avec un seul « push-pull » pour les 3 modules (d’autres solutions, actuellement à l’étude, consistent à disposer d’un « push-pull » de sortie par module). Ce « push-pull » est relié aux modules par un système de bus-barre sur PCB (Printed Circuit Board) et un routage particulier afin d’en équilibrer les impédances de liaisons. La Figure 25 présente le schéma que nous avons retenu pour la carte de distribution et que nous avons implanté dans Simplorer®.
Figure 25 - Schéma de simulation sur le logiciel Simplorer® de la carte de distribution retenue pour commander les 3 modules de puissance MOSFET-SiC en parallèle.
Pour l’équilibrage dynamique de la partie commande, la Figure 26 et le Tableau 4 présente un exemple de simulation sur le logiciel Q3D® d’un routage particulier effectué sur une carte de distribution constituant un étage de sortie d’allumeur. Sur cette carte se trouve un étage « push-pull » de sortie pour 3 modules en parallèle et un réseau de bus-barre adressant les 3 commandes de grille. Tableau 4 - Récapitulatif des résultats de simulation des inductances de commande allant du « push-pull »
de sortie de la carte de distribution aux modules de puissance :
Lboucle 1 (nH) Lboucle 2 (nH) Lboucle 3 (nH)
Inductance à 1kHz 11 9,4 11,4
Inductance à 100MHz 6,9 6,2 7,3
Nous avons vu lors de l’étude de l’influence de l’inductance de boucle de commande (partie III.3), que pour les valeurs de résistances de grille utilisées, nous pouvions nous permettre d’avoir une valeur d’inductance de la boucle de commande plutôt élevée sans risque de ré-amorçage ou reblocage (Figure 17) mais que nous avions un dépassement possible de la tension Vgs au-delà des limites fixées par le constructeur. Cet exemple de simulation illustre les travaux effectués sur la carte de distribution (étage de sortie de l’allumeur) afin de minimiser les inductances parasites de commande et d’en maîtriser sa valeur. D’autre part, lors de la mise en parallèle de packs, ces simulations permettent d’améliorer l’équilibrage des valeurs d’inductances de la boucle de commande. Par exemple, sur ces simulations, nous voyons que l’inductance de boucle de commande est quasiment la même pour chacun des packs.
Figure 26 - Exemple de simulation sur le logiciel Q3D® d’un routage particulier d’une carte de distribution (étage de sortie de l’allumeur) permettant d’équilibrer les inductances de commande entre
les 3 modules de puissance en parallèle (ici, carte de distribution pour module POWEREX).
En ce qui concerne le circuit de puissance, des travaux ont été menés sur la géométrie de la barre de Phase qui va relier les 3 modules en parallèle. Cette barre de Phase peut voir jusqu’à 600A en continu, il faut donc observer les densités de courant afin de garantir des températures correctes. Nous avons travaillé sa géométrie afin de répartir le courant en conduction entre les 3 modules. La Figure 27 montre la version retenue de la barre de Phase. Il s’agit d’une simulation sur le logiciel Maxwell3D®
qui permet de calculer les densités de courant et la répartition du courant dans les 3 modules en parallèle. Les travaux ont notamment consisté à étudier la position et la géométrie d’une fente réalisée pour répartir le courant entre les 3 modules en parallèle (voir Tableau 5).
Figure 27 - Exemple de simulation sur le logiciel Maxwell3D® visant à regarder les densités de courant et la répartition du courant dans les 3 modules en parallèle.
Tableau 5 - Exemple d’impact de la mise en place d’une fente visant à améliorer la répartition du courant conduit entre les 3 modules en parallèle :
Iinjecté ≈ 600A IModule 1 conduit (A) « Gauche » Iconduit (A) Module 2 « Centre » Iconduit (A) Module 3 « Droite »
Ecart type entre Module 1/2/3
Sans Fente 95 400 97 175,0
Avec la fente retenue 198 196,9 198,5 0,82
Pour la partie puissance, le schéma global de co-simulation est basé sur le même principe que celui que nous avions présenté sur la Figure 22. Sur ce schéma nous allons retrouver la modélisation des composants semi-conducteurs de puissance, l’ensemble des condensateurs et des bus-barres, la barre de phase (Figure 27). Les résultats en commutation, de la co-simulation électrique et électromagnétique, dans la version finale de la géométrie, sont présentés sur la Figure 28. Le Tableau 6 récapitule des mesures en statique et dynamique correspondant au point de simulations de la Figure 28.
Pour aller plus loin, il faudrait poursuivre ces travaux de simulations en tenant compte de la modélisation de l’étage de sortie de la carte de distribution de l’allumeur (Figure 25) et des écarts d’inductance de la boucle de commande au niveau de la carte de distribution (Tableau 4). Ainsi, les résultats de simulations nous permettraient d’observer plus finement le comportement dynamique des 3 modules en parallèle.
Tableau 6 - Récapitulatif des mesures lors de la simulation avec les 3 modules en parallèle MOSFET-SiC ROHM BSM100D12P1C004, pour Vbus = 600V, Ids = 200A, Tj = 25°C, Vgs = +20V/-5V, RgOFF = 3Ω, RgON =
2Ω, Rs = 0,5Ω, avec le montage final « méthode d’opposition » :
Position du module « Position Gauche » « Position Centre » « Position Droite »
Ids (A) (en statique) 199,6 198,2 202,2
Vds max (V) (au blocage) 774,2 765,7 757,7
Ids max (A) (à l’amorçage) 309,1 323,2 300,7
(a) Blocage du module. (a) Amorçage du module.
Figure 28 - Résultats de simulation d’un blocage et d’un amorçage de 3 modules en parallèle MOSFET-SiC ROHM BSM100D12P1C004, pour Vbus = 600V, Ids = 200A, Tj = 25°C, Vgs = +20V/-5V, RgOFF = 3Ω,