Influence de l’apparition d’un défaut sur un pont

3.8.2.1 Introduction : la théorie des dominos

Nos essais de fiabilité vont porter sur un nombre important de modules IGBT. Ceci veut dire que le futur banc de test se composera d’un nombre important de ponts connectés sur la même alimentation. Typiquement, nous visons 80 modules IGBT donc 20 modules de conversion comme celui présenté sur la figure III.51.

Durant ces essais de fiabilité, des modules IGBT vont entrer en défaillance. Vu la structure de puissance et le principe de la commande de ces ponts, la défaillance d’une puce ou la coupure d’un défaut peut entraîner des régimes transitoires très importants et non maîtrisés (surtension, surintensité due notamment aux filtres d’entrée de chaque cellule). Ces régimes transitoires peuvent se propager à d’autres ponts connectés sur la même alimentation. La plupart des défauts qui surviendront sur les modules IGBT se produiront après une longue période de fonctionnement. Il y a donc une forte probabilité que, si l’on n’y prend pas garde, l’apparition et la coupure d’un défaut sur un pont puisse précipiter la défaillance de modules IGBT situés sur des ponts proches.

Il est primordial, à ce niveau de la conception du module de conversion, de s’intéresser aux problèmes de “voisinage” entre plusieurs ponts connectés sur la même alimentation.

3.8.2.2 Présentation des phases de simulation

D’après l’AMDEC de la cellule de commutation, il existe quatre modes de défaillance : diode

Défaut d’ouverture

IGBT

IGBT Type I

Défaut de court-circuit

IGBT et diode Type II

La stratégie adoptée pour aborder ce problème est la suivante :

- Ces quatre modes de défaillance seront simulés sous Saber à l’aide de modèle comportemental (IGBT et diode, cf. chapitre II, paragraphe 2.8.2.2).

- Dans les quatre cas, nous allons observer l’évolution des tensions et courants aux bornes de chaque composant et analyser le comportement du système

- A partir de cette analyse, nous allons mettre en place les différentes solutions pour pallier aux problèmes rencontrés.

Ces simulations porteront sur un système comportant deux ponts connectés sur la même alimentation. La figure III.52 résume la structure simulée ainsi que son degré de complexité.

Figure III.52 : Structure utilisée pour faire les simulations

3.8.2.3 Conditions de simulation

le point de fonctionnement des deux ponts est le suivant :

Tension d‘alimentation 450 V Fréquence de

modulation 50 Hz

Courant inter-bras 50 A Taux de modulation 95 %

Fréquence de

découpage 20 KHz

L’alimentation de puissance est considérée parfaite. Lors de l’apparition d’un défaut, le comportement du driver a été reproduit (temps de détection, limitation de la surtension…) sur le bras défaillant. Le pas de calcul a été choisi de manière adéquate afin d’avoir le maximum de détails sur les formes d’ondes. Toutes les grandeurs électriques ont été observées et, dans le paragraphe qui suit, seules les formes d’ondes primordiales seront présentées.

3.8.2.4 Résultats

a) défaut d’ouverture d’une diode

Ce défaut est provoqué à t = 1.83ms, une fois que le régime de fonctionnement des ponts est établi. On constate que l’ouverture d’une diode durant une phase de conduction engendre une perte de contrôle de la régulation du courant inter-bras. L’énergie contenue dans l’inductance d’opposition génère des surtensions violentes aux bornes de tous les composants du pont (notamment aux bornes de l’IGBT en parallèle avec la diode défaillante). La protection contre les surtensions en type II (diode transil) permettra d’éliminer ces surtensions au prix d’une dissipation supplémentaire dans les puces IGBT. Néanmoins, il est nécessaire de prévoir un dispositif de détection rapide de ce type de défaut.

Pont N°1 : pont subissant les défaillances Utilisation des modèles électriques équivalents fins

Pont N°2 : pont non défaillant Utilisation des composants idéaux K1

K1’

K2

K2’

Les grandeurs au niveau du filtre d’entrée de la cellule défaillante évoluent beaucoup. Ces ondulations, notamment au niveau de la tension d’alimentation de la cellule peuvent provoquer la mise en avalanche des composants de la cellule (la tension d’utilisation des composants est très élevée cf. chapitre II, figure II.46). L’écrêtage actif peut limiter ces surtensions aux bornes des interrupteurs de puissance. On peut constater que la tension aux bornes de la cellule adjacente n’est pas affectée. Le courant traversant les

condensateurs de la cellule défaillante présente des surintensités importantes. Ces surintensités peuvent provoquer une augmentation de la température de cœur de ces condensateurs (en valeur moyenne) à long terme, et accélérer leurs vieillissements, voire même provoquer une défaillance (cf. chapitre II concernant la fiabilité de ce type de condensateur).

La défaillance d’une diode au sein d’un pont, n’affecte en rien le fonctionnement de l’autre pont. Par

exemple, le courant inter-bras ainsi que le courant et la tension pour un interrupteur de puissance situé sur le deuxième pont ne sont pas perturbés (cf. figure III.55).

La conclusion de cette simulation est qu’une défaillance de type ouverture d’une diode est très préjudiciable pour les composants de la cellule concernée (forte surtension aux bornes des composants semi- conducteurs et forte surintensité à travers les condensateurs de la cellule). Ce mode de défaillance n’affecte pas le fonctionnement des ponts voisins, connectés sur la même alimentation. Néanmoins, il faut pouvoir détecter cette défaillance et arrêter le pont concerné. Le moyen envisagé est de contrôler l’amplitude du courant inter-bras du pont par une détection au niveau de la carte de commande. Un autre moyen de détecter ce type de défaut consiste à placer en parallèle avec chaque diode de puissance, des diodes en série avec un transformateur d’intensité. En cas de défaut, ce sont ces diodes auxiliaires qui entrent en conduction et le courant traversant ces diodes informe le système de la défaillance

Figure III.53 : tension et courant pour l’interrupteur défaillant (K1)

Figure III.54 : tension et courant d’alimentation pour chaque pont

Figure III.55 : tension et courant pour un interrupteur du pont 2 Tension pour l’interrupteur K1 Courant pour l’interrupteur K1 Ordre de commande

Tension pont 2 Courant pont 2

Courant pont 1 Tension pont 1 Courant inter- bras pont 1 Tension pour l’interrupteur K3 Courant pour l’interrupteur K3

par l’intermédiaire du transformateur. Cette protection a été prévue mais n’a pas été implantée sur le module de conversion.

b) Défaut d’ouverture d’un IGBT A t = 2,5ms, l’IGBT assurant

une phase de conduction (T1’) s’ouvre. Cette ouverture se traduit par une interruption brutale du courant inter-bras. Le pont fonctionne donc par intermittence. Une demi-alternance est perdue (celle durant laquelle T1’ assure les phases de conduction diagonale).

Cette rupture entraîne l’excitation du filtre d’entrée des deux cellules de commutation du pont concerné : tantôt lors de la défaillance sur la cellule N°1, tantôt lors de la reprise de contrôle de la

régulation de courant (permutation dans les phases de conduction diagonale). L’amplitude des surtensions engendrées est faible (15V soit +3.3% de la tension de bus). Ces surtensions ne sont pas préjudiciables pour les composants du pont défaillant. La remise en conduction du pont toutes les demi- périodes entraîne l’apparition de régimes transitoires. Ce régime transitoire se traduit par de forts appels de courant sur l’alimentation de puissance. La présence d’un filtre basse fréquence sur l’alimentation pourrait limiter ces appels de

courant.

Le fonctionnement du deuxième pont n’est pas affecté par l’apparition de ce défaut. La figure suivante nous montre les formes d’ondes du courant inter-bras ainsi que le courant et la tension pour un interrupteur de ce pont. Les déformations observées sur le courant inter-bras (I(l.lMO)) sont dûes

à un mauvais réglage de la régulation de courant.

La conclusion de cette simulation est que ce mode de défaillance est moins critique que le précédent. En effet, les contraintes au niveau des composants de puissance

Figure III.56 : courant inter-bras pour les deux ponts

Figure III.57 : tension et courant pour les deux ponts

Figure III.58 : tension et courant pour un interrupteur du pont N°2 Courant inter- bras pont 2 Courant inter- bras pont 1 Tension pont 1 Courant pont 1 Courant pont 2 Tension pont 2 Courant inter- bras pont 2 Tension pour l’interrupteur K3 Courant pour l’interrupteur K3

Figure III.61 : courant et tension pour les deux ponts, dans le cas d’un court-circuit de type I

augmentent peu en amplitude (absence de surtension et de surintensité). Cependant les reprises de fonctionnement du pont toutes les demi-alternances engendrent des appels de courant importants sur l’alimentation de puissance. Cette défaillance peut être détectée au niveau de la carte de commande par un contrôle du courant inter-bras (contrôle sur la valeur efficace, par exemple).

c) Défaut de court-circuit type I et type II

Les résultats obtenus lors de la simulation d’un court-circuit de type I et de type II sont quasiment identiques. Lors de ces deux simulations, nous avons reproduit le comportement du driver et de la carte de commande : temps de détection et de coupure du court-circuit par le driver, écrêtage actif, arrêt du pont par la carte de commande (cf. figure III.52). Le but de ces simulations est de voir comment se comportent les deux ponts simulés, lors de l’arrêt de tels défauts, car ces deux types de défauts sont impérativement détectés et coupés. Le court-circuit de type I est déclenché sur le pont N°1 : mis en conduction de l’interrupteur K1’, alors que K1 est passant. Le court-

circuit de type II est obtenu, quant à lui en reproduisant la mise en avalanche d’un interrupteur (K1).

Lors de l’apparition de ce type de défaut, l’énergie contenue dans l’inductance d’opposition est rapidement évacuée durant la phase de roue libre entre T1 et D2. Les contraintes appliquées aux différents composants lors de la coupure du court-circuit sont maîtrisées, c’est ce que l’on constate que sur la figure III.60. Les formes d'ondes pour les autres interrupteurs ne sont pas

présentées dans ce mémoire.

La coupure des court-circuits engendre des oscillations importantes au niveau des filtres d’entrée des deux cellules de commutation du pont défaillant : dépassement de 15V de la tension aux bornes de la capacité C1 et de 3V pour la capacité C2. Les oscillations sur le courant du pont sont importantes (50A max). Ces oscillations sont dues à l’arrêt brutal du pont (excitation des filtres d’entrée de chaque cellule). Elles sont très peu amorties car le circuit

Figure III.59 : courant inter-bras des deux ponts pour un court- circuit de type I

Figure III.60 : tension et courant de l’interrupteur qui subit le court-circuit de type II Courant inter- bras pont 2 Tension pour l’interrupteur K1 Courant pour l’interrupteur K1

Tension pont 1 _{Courant pont 1}

Courant pont 2 Tension pont 2 Courant inter- bras pont 1 Tension pont 1 Courant pont 1 Courant pont 2 Tension pont 2

est très peu résistif (résistance des inductances, des fils de liaison).

Ces oscillations importantes peuvent être très préjudiciables pour l’alimentation de puissance. Ces oscillations ne sont pas une conséquence directe du court-circuit mais de l’arrêt du pont. Il faut donc prévoir un filtre basse fréquence sur l’alimentation de puissance et il faut découpler les ponts de cette alimentation. Comme on peut le voir sur la figure III.62, il n’y a aucune conséquence visible de l’arrêt du pont N°1 sur le pont N°2. La tension d’alimentation du pont N°2 est maîtrisée et la régulation de courant de ce pont fonctionne parfaitement bien.

La conclusion de ces simulations est que l’arrêt d’un pont génère des oscillations importantes sur le courant d’alimentation de ce pont. Ces oscillations ne perturberont quasiment pas les autres ponts connectés sur la même alimentation. Néanmoins, il est souhaitable d’atténuer ces oscillations en plaçant un filtre basse fréquence en aval de l’alimentation de puissance, filtre qui est nécessaire en fonctionnement normal, et en découplant les ponts entre eux.