Génération de l’historique électrothermique

4.3.5.1 Présentation du programme développé sous Labview

L’acquisition et la gestion des données sont faites par l’intermédiaire d’une application développée sous Labview™. Le choix de ce logiciel, et du langage qui lui est propre, se justifie de par le fait que c’est un outil très puissant dédié à la gestion et au traitement des données en temps réel (suivi “on-line” du banc de test grâce à une interface graphique personnalisable).

Le programme développé sous Labview™ devra répondre au cahier des charges concernant la partie surveillance électrothermique. Les contraintes de ce cahier des charges sont les suivantes :

L’acquisition des données devra s’effectuer avec une fréquence d’échantillonnage importante, vues les dynamiques des grandeurs électriques (surtout en ce qui concerne les courants inter-bras et les courants d’alimentation des ponts). Le système de sauvegarde des données devra se conformer aux prescriptions suivantes : les premiers tests de fiabilité seront menés sur une durée supérieure ou égale à 10000 heures. L’utilisateur devra avoir accès à un système de fichiers à deux ou trois niveaux :

- Un fichier contenant toutes les données calculées, avec une fréquence d‘échantillonnage faible et

sur tout l’horizon de temps des tests. Ce fichier sera utile pour avoir une vision globale du comportement du système.

- Une ou deux séries de fichiers contenant, là aussi, toutes ces données mais avec une fréquence

d’échantillonnage plus élevée et sur un horizon de temps plus court. Les données calculées sont définies dans le tableau IV.5:

grandeurs analogiques grandeurs analogiques T semelle IGBT 2 T semelle IGBT 4 T semelle IGBT 3 T semelle IGBT 5 T condensateur 1 T condensateur 5 T condensateur 2 T condensateur 6 T condensateur 3 T condensateur 7 T condensateur 4 T condensateur 8 I inter-bras pont 1 I inter-bras pont 2 I alimentation pont 1 I alimentation pont 2

+15V carte V alimentation

-15V carte +15V driver

+5V FPGA

données numériques données numériques

court-circuit IGBT 3-2 court-circuit IGBT 5-2 défaut température pont 1 défaut température pont 2

court-circuit IGBT 2-2 court-circuit IGBT 4-2 court-circuit IGBT 3-1 court-circuit IGBT 5-1 court-circuit IGBT 2-1 court-circuit IGBT 4-1

RMS RMS

moy moy

Données calculées Données calculées

max

moy

min max

moy

min

Tableau IV.5 : récapitulatif des données calculées sous Labview

Bien entendu, lors de ces tests, des défaillances de composants peuvent survenir. Le programme devra être informé des défaillances et devra enregistrer un fichier de données. Ce fichier contiendra l’évolution temporelle de toutes les grandeurs à la fréquence d’échantillonnage maximale et sur un horizon de temps court (10 secondes). Le système de fichiers défini plus haut devra être sauvegardé en deux exemplaires : pour chaque série, il devra être généré deux groupes de fichiers décalés temporellement. Cette sécurité évitera de perdre des données au cas où des fichiers soient endommagés.

4.3.5.2 Réalisation

A partir de ce cahier des charges, il est possible de générer la SA_RT (Structured Analysis for Real Time system) de l’application à programmer. Ce type d’analyse, proposée par Tom DeMarco en 1978, est basé sur l’élaboration d’un diagramme de flot de données “traversant” le système [EEA]. Ce type de diagramme est constitué d’un ensemble de fonctions de traitement liées les unes aux autres par les différents flux de données. La méthode d’analyse dite SA_RT a été élaborée en 1985 par P.WARD et S. MELLOR et s’appuie sur trois outils indispensables [Laplante] :

- les diagrammes,

- le dictionnaire de données, - les minispécifications.

Ces outils permettent une description statique (diagramme de flot de données) ainsi que dynamique (diagramme de flot de contrôle) du système. Cette analyse se compose de 4 niveaux. Dans ce paragraphe consacré à la réalisation de la surveillance électrothermique, je vais m’appuyer sur le diagramme de flot de données issu de cette analyse et uniquement sur un des niveaux (cf. figure IV.4). Le diagramme de flot de données complet est présent en annexe [annexe III]

Sur une structure d’acquisition de données classique, une base de temps, générée sous Labview™, a été ajoutée. Cette base de temps est réalisée à partir d’un compteur présent sur l’une des cartes d’acquisition. Elle nous permet de “compter” le temps effectif de fonctionnement des modules en tenant compte des arrêts du banc de test, et donc de dater avec beaucoup de précision l’apparition d’une défaillance. Bien entendu, le système d’acquisition est arrêté en cas de défaillance d’un des modules IGBT. Cet arrêt peut être provoqué

de deux manières : soit lors de l’apparition d’un défaut dit “hard” (défaut de court-circuit ou de température) issu de l’acquisition des signaux numériques, soit lors de l’apparition d’un défaut dit “soft”. Ces défauts correspondent à un dépassement de seuil, des grandeurs électrothermiques (tension d’alimentation, courant d’alimentation des ponts, température des condensateurs, …), dépassement détecté par le programme.

Grandeurs analogiques Grandeurs numériques Fichiers de données Fichier de données avant défaut Visualisation temps réel Lire le buffer d’acquisition Filtrer + mettre à l’échelle Calculer les min, moy, max, et RMS Enregistrer les Données calculées Lire le buffer numérique Gérer les défauts “hard” et “soft” Enregistrer le registre d’état et le temps écoulé en cas de défaut Enregistrer les 10 dernières secondes Données Données à l’échelle Données calculées Défaut hard Défaut soft Registre d’état Arrêt 2-1 2-2 2-3 2 -4 2-5 2-6 2-7 2-8 Arrêt 2 Temps écoulé Paramètres de L’acquisition Fichiers de données décalées dans le

Figure IV.4 : niveau deux de l’analyse SA_RT

L’acquisition des données fonctionne comme suit : les cartes d’acquisitions, connectées sur le bus PCI du PC, sont paramétrées par l’utilisateur et fonctionnent en continu. Les données issues des cartes d’acquisition sont empilées dans deux buffers créés par le programme. Le traitement de ces données s’effectue par paquet, et doit être plus rapide que le remplissage des buffers. Les paramètres de l’acquisition de données sont les suivants :

Tableau IV. 6 : paramètres de l’acquisition de données

Les chaînes de mesure sont complétées sous Labview™ par une étape de filtrage numérique et de mise à l’échelle. Ces données, mises à l’échelle, sont ensuite exploitées afin de calculer les valeurs définies par le cahier des charges (cf. tableau IV.5).

L’acquisition des informations numériques est aussi bufférisées. A partir de ces informations, un signal d’arrêt est émis en cas de défaut. Ce signal déclenche l’enregistrement du registre d’état des deux ponts, du temps écoulé depuis le démarrage du test ainsi que du buffer contenant les 10 dernières secondes d’acquisition. Ce buffer est de taille constante : les premières données entrées dans ce buffer sont écrasées lors de son remplissage. Ce buffer contient toutes les grandeurs électrothermiques issues de l’acquisition, à la fréquence d’échantillonnage maximale (15Kech/s), et sur un horizon de temps de 10 secondes. La sauvegarde de ces données est primordiale pour un diagnostic post-défaillance du pont concerné, afin de déterminer dans quel état électrothermique se trouvaient les modules IGBT avant la défaillance.

La gestion et l’enregistrement des données mises à l’échelle sont effectué par l’intermédiaire d’une série de buffer. Un premier buffer (buffer 10 secondes) est rempli avec les données calculées au niveau

Fréquence d’échantillonnage pour chaque voie 15 Kech/s

Taille du buffer d’acquisition pour une carte 40000 échantillons Nombre d’échantillons traité simultanément 3000

précédent. Une fois ce buffer plein, les différentes données qu’il contient sont moyennées et le résultat vient alimenter un deuxième buffer (buffer 100 Ksecondes). Ce buffer, une fois plein, est enregistré dans un fichier. Cette dernière opération est dupliquée et décalée dans le temps enfin d’enregistrer une deuxième génération de fichiers. Les données contenues dans ces fichiers ont une période d’échantillonnage de 10 secondes et la taille de ces fichiers correspond à 24 heures d’enregistrement.

Le système de fichier ainsi généré est le suivant :

t=0 T=10000 heures

Période d’échantillonnage : 1 heures

Durée de l’enregistrement : 10000 heures Taille du fichier : 2,72 Mo Période d’échantillonnage : 6 minutes

Durée de l’enregistrement : 1000 heures Taille du fichier : 2,53 Mo Total sur 10000 heures : 2*27,2 Mo Période d’échantillonnage : 10 secondes

Durée de l’enregistrement : 86400 secondes Taille d’un fichier : 2,35 Mo Total sur 10000 heures : 2*980 Mo Fréquence d’échantillonnage : 15000 Kech./s

Durée de l’enregistrement : 10 secondes Taille du fichier : 3,15 Mo

Espace disque nécessaire : 2,020Go Niveau 0

Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3

Figure IV.5 : architecture du système de fichier

Les données issues du buffer d’acquisition sont codées en “mot” (4 octets). Les fichiers enregistrés sont au format binaire afin de minimiser l’espace disque utilisé. La lecture et l’exploitation de ces fichiers est faite nécessairement par une autre application programmée sous Labview™, pas présentée dans ce mémoire. L’intérêt de cette méthode est que l’exploitation de ces fichiers est beaucoup plus rapide et flexible.

Ce programme dédié à la surveillance électrothermique ne génère que les fichiers de niveau 2 et 3 (cf. figure IV.5). Une phase de post-traitement est nécessaire, à partir d’un autre programme, pour obtenir les fichiers de niveau inférieur.

4.3.5.3Validation

La figure IV.6 est une photo du banc complet.

Figure IV.6 : banc de fiabilité complet

Alimentation de puissance Système d’acquisition Module de conversion

Alimentation Sans Interruption

Mesure de puissance

Toutes les fonctions programmées sous Labview™ ont été testées avant le démarrage de l’essai de fiabilité. La figure IV.7 est une saisie d’écran représentant la face avant du programme. Cette face avant permet à l’utilisateur “d’observer” le module de conversion au cours de son fonctionnement.

Figure IV.7 : Face avant permettant la visualisation temps réel des grandeurs électrothermiques du module de conversion

4.3.6 Conclusion

Un système d’instrumentation et de surveillance électrothermique pour le module de conversion a été mis en place. Ce système se compose d’une série de capteurs (tension, courant, température) placés sur le module de conversion, d’une carte d’interface et d’un système d’acquisition et de traitement des données. Le but de cette surveillance est double : tout d’abord, elle permet d’observer le comportement électrothermique des modules IGBT sous test, afin de s’assurer que les contraintes appliquées sur ces modules restent constantes. Dans un deuxième temps, cette surveillance nous permettra d’obtenir le maximum d’informations avant la défaillance d’un module IGBT : du démarrage du test jusqu’aux 10 dernières secondes de fonctionnement.