Premier essai à long terme du module de conversion
4.3 Instrumentation et surveillance électrothermique du module de conversion
4.3.1. Introduction : but de la surveillance électrothermique
En accord avec la stratégie définie plus haut et conformément au cahier des charges, un système d’instrumentation et une stratégie de surveillance électrothermique du module de conversion ont été mise en place. Cette surveillance a pour but de construire un historique des grandeurs électriques et thermiques caractéristiques du module de conversion, tout au long du fonctionnement des composants sous test. La construction de cet historique a deux buts : tout d’abord c’est un moyen efficace d’effectuer un suivi du module de conversion en temps réel, avec le moyen de référencer cette observation par rapport aux données relevées lors du démarrage du test. Ensuite, lorsque qu’un module IGBT entre en défaillance, cet historique sera une des clefs pour l’analyse post-défaillance de ce module : détermination du mode de défaillance, analyse de l’environnement électrothermique durant tout le test, … L’historique doit fournir un relevé très précis des formes d’ondes caractéristiques du module de conversion juste avant la défaillance d’un module IGBT. Cet historique se compose de mesures de température, de mesures de tension et de courant ainsi que d’informations numériques sur l’état des cartes de commandes. Toutes ces informations sont enregistrées périodiquement au cours du test de fiabilité.
4.3.2. Structure générale de l’acquisition de données
Le système d’instrumentation et de surveillance a été mis en place pour un module de conversion (deux ponts) et pour une durée de test de 10000 heures. Il se constitue d’une série de capteurs (tension, courant, température) placés sur le module de conversion. Les signaux issus de ces capteurs sont mis en forme et filtrés par une carte d’interface. Cette carte envoie ces signaux vers deux cartes d’acquisition placées dans un PC. La surveillance et la gestion des données sont effectuées grâce à une application développée sous Labview™. Cette structure d’acquisition de données répond au cahier des charges et emploie des solutions simples et couramment utilisées en contexte industriel. La figure IV.1 présente le banc de test de fiabilité complet avec le système d’acquisition.
L’utilisation de deux cartes d’acquisition standards (NI 6023 de National Instrument) pour cette application s’avère être la solution la plus simple d’un point de vue “hardware” (évite l’utilisation d’un système de multiplexage des signaux analogiques) et d’un point de vue “software” (gestion de ce multiplexage). Le choix de Labview™ pour gérer l’acquisition des signaux à partir des cartes NI et la gestion des données analogiques et numériques (enregistrement des données et surveillance des défauts) se justifie par le faite que Labview™ offre une très grande flexibilité pour la conception d’une application de ce type.
Alimentation de
puissance d’interface Carte
(filtrage, mise en forme)
Module de
conversion
Capteurs Reseau 230V/50Hz Alimentation sans interruption Alimentations auxiliaires Alimentation 220V/24V Bus 24V PC + carte d’acquisition Labview Carte de commandeFigure IV.1 : Banc de test de fiabilité complet (schéma)
Les essais de fiabilité menés avec ce banc sont prévus sur une durée très longue. Durant ce test, des micro-coupures réseau, voire même la disparition du réseau peuvent être préjudiciable pour le banc (tensions des alimentations auxiliaires pas assurées …), et le PC utilisé pour l’acquisition des données. Une alimentation sans interruption permet de nous affranchir de ces micro-coupures réseau. Qui plus est cela nous permet d’arrêter proprement le montage et l’acquisition de données.
Dans les paragraphes qui vont suivre, la définition complète de l’instrumentation (choix des capteurs et interface PC) et la stratégie de surveillance adoptée seront expliquées en détail.
4.3.3. Présentation de l’instrumentation
L’instrumentation du module de conversion consiste en la mesure de grandeurs électriques et thermiques significatives au sein de ce montage. Le tableau IV.2 énumère la liste complète des grandeurs mesurées ainsi que les capteurs utilisés.
Grandeurs Gamme Capteur
Température de semelle des
modules IGBT 0 - 150°C Sondes platine type PT1000 + conditionneurs Température de l’enveloppe des
condensateurs 0 - 85°C Sondes platine type PT1000 + conditionneurs Courants inter-bras (iLOM(t))
100A crête à
crête Capteurs à effet Hall type LEM de courant Courants d’alimentation des ponts 0 – 5A Capteurs à effet Hall type LEM de courant Tension d’alimentation 0 – 600V Capteur à effet Hall type LEM de tension
Tensions auxiliaires 0 – 15V Mesure direct
Informations numériques 0 – 5V Mesure direct
Tableau IV.2 : grandeurs mesurées et capteurs mis en place
4.3.3.1 Les mesures de température
- Température de semelle des modules IGBT. La mesure de ces températures permet de remonter à la température de fonctionnement des puces IGBT et Diodes. Ces températures sont un des paramètres influant sur la fiabilité des modules IGBT, donc la mesure de ces températures est primordiale. Le suivi de ces températures au cours du temps est nécessaire afin d’observer des dérives éventuelles dues à la régulation de température ou au vieillissement du packaging des modules IGBT par exemple. La mesure de température de semelle d’un module IGBT est effectuée grâce à une sonde de platine de type PT1000 placée entre le module et le radiateur. (cf. paragraphe 3.5 sur la conception de la régulation de température).
- Température de l’enveloppe des condensateurs électrolytiques. La mesure de la température sur
l’enveloppe d’un condensateur électrolytique, en un point bien précis, permet de remonter à la température au cœur de ce condensateur. Cette température est un paramètre très influent sur la durée de vie de ces composants. Cette mesure s’effectue de la même manière que pour la température de semelle des modules IGBT : une sonde PT1000 placée sur la paroi du condensateur, associée à un pont de Wheatstone et un amplificateur d’instrumentation. La température à la surface des condensateurs n’est pas homogène. Pour ne pas complexifier le système de mesure, seule une température sera mesurée, en un point précis sur tous les condensateurs.
4.3.3.2 Les mesures de courants
- Courant inter-bras (iLOM(t)). Ce courant traverse l’inductance d’opposition et représente la somme des
courants traversant les semi-conducteurs de puissance. La mesure de ce courant nous permet de constater ou non le bon fonctionnement de la régulation du courant inter-bras et de valider le fait que les interrupteurs de puissance sont toujours traversés par le même courant. De plus, en cas de défaut, la sauvegarde de l’allure de ce courant peut être une source d’informations importante pour diagnostiquer le type de défaillance. La mesure de ce courant s’effectue par l’intermédiaire d’un LEM de courant placé sur le PCB de puissance des deux ponts.
- Courant d’alimentation des ponts. La mesure de ce courant est primordiale. Ce courant est image des
pertes au sein du pont : pertes dans les semi-conducteurs de puissance (IGBT et diode), pertes dans les composants passifs (condensateurs et inductances). Si le courant d’alimentation des ponts augmente au cours du temps, alors cette augmentation sera due au vieillissement ou à la dégradation des modules IGBT et/ou des condensateurs électrolytiques. De plus, la mesure de ce courant pourra aussi nous donner des informations sur les événements qui auront eu lieu au sein des ponts. En effet, ces courants étant de faible valeur (≅ 1 A), une très forte augmentation, en statique ou en dynamique, traduira un fonctionnement anormal du pont (court-circuit de bras, mauvais fonctionnement de la régulation de courant, …). Néanmoins, cette mesure de courant ne permet pas d’effectuer une détection et un diagnostic précis du mode de défaillance. Les courants d’alimentation des ponts sont mesurés grâce à deux LEM de courant câblés sur la carte d’interface.
4.3.3.3 Les mesures de tensions
- Tension d’alimentation des ponts. Cette mesure de tension permet de contrôler le bon fonctionnement
de l’alimentation continue et permet de déterminer, en cas de défaillance, si un mauvais fonctionnement de cette alimentation en est la source. La mesure de cette tension peut être une source d’information utile pour diagnostiquer un événement qui est apparu sur un pont. Cette mesure se fait par l’intermédiaire d’un capteur de type LEM de tension et d’une résistance de mesure, le tout connecté en parallèle sur l’alimentation de puissance.
- Tensions auxiliaires. Ce que l’on entend par tensions auxiliaires, c’est toutes les tensions d’alimentation
des cartes des deux ponts. Ces tensions sont au nombre de quatre : l’alimentation des drivers (0,+15V), l’alimentation des cartes de commande et de la carte de régulation de température (0,+5V et 0,+15V,- 15V). Le suivi de ces tensions a le même objectif que celui de la tension d’alimentation du module de conversion, à savoir attribuer ou non une défaillance au fonctionnement de ces alimentations. La mesure de ces tensions se constitue d’un pont diviseur de tension résistif et d’un filtre RC. L’isolation galvanique au niveau de ces mesures de tension n’est pas nécessaire.
4.3.3.4 Informations numériques
- Registre d’état. Ce registre d’état se compose de données numériques informant le système
d’acquisition sur l’état du pont. (relatif aux défauts apparus sur un pont.). Ces données sont issues de la carte de commande de chaque pont et de la carte de régulation de température. Le tableau IV.3 fait le récapitulatif des informations contenues dans ce type de registre :
Numéro de bit Donnée correspondante 0 Défaut court-circuit IGBT 1_1 1 Défaut court-circuit IGBT 1_2 2 Défaut court-circuit IGBT 2_1 3 Défaut court-circuit IGBT 2_2 4 Défaut manque de courant 5 Défaut température pont 6 Envoi chien de garde 7 Réception chien de garde
Tableau IV.3 : Définition du registre d’état d’un pont
Ces registres d’état permettent d’informer le système de surveillance du bon fonctionnement du module de conversion mais permettent aussi d’arrêter le module de conversion lorsque le système d’acquisition est défaillant. Dans notre stratégie, la surveillance électrothermique est intimement liée au fonctionnement du module de conversion, à tel point que l’un ne doit pas fonctionner sans l’autre. C’est pourquoi nous avons mis au point un système de surveillance entre ces deux composantes du banc de test. Ce chien de garde fonctionne comme ceci (figure IV.2) :