Mesures de pertes grâce à la méthode d’opposition

La méthode d’opposition permet de faire une mesure et un bilan très précis des pertes au sein du convertisseur. Cette mesure de pertes est complétée par une mesure de température à l’intérieur d’un module IGBT. Cette mesure de température est faite en recalant le banc auxiliaire au même point de fonctionnement thermique (même température de radiateur entre le banc thermique et le banc onduleur). Ce recalage est nécessaire afin d’extraire très simplement les pertes dans les composants passifs.

3.4.4.1 Conditions des mesures

La mesure des pertes s’est faite sur un pont (2 modules IGBT et quatre condensateurs) équipé de modules Mitsubishi, et pour quatre conditions de fonctionnement différentes. Durant chaque essai, les pertes ont été mesurées pour deux fréquences de découpage différentes. Les pertes par conduction étant indépendantes de la fréquence de découpage, il est aisé d’extraire de ces mesures les pertes par conduction et les pertes par commutation. La mesure des pertes consiste en la mesure de la puissance absorbée par le pont sur l’alimentation de puissance. Le recalage du banc auxiliaire s’est fait de la manière suivante : pour les conditions nominales d’utilisation du banc onduleur, une mesure de température a été effectuée en deux endroits sur le radiateur (cf. figure III.43).

Modules actif s Mesure de température Sonde de précision Modules inactif s T2 radiateur T1 radiateur Mesure de la température de semelle par sondes thermocouples Modules

inactifs

Figure III.34 : recalage thermique du banc auxiliaire : T1 radiateur et T2 radiateur sont identiques sur le banc en opposition et sur le banc auxiliaire.

Sur le banc auxiliaire, où les modules IGBT fonctionnent en écrêteur actif, ces deux températures sont obtenues en ajustant le niveau des pertes dans les transistors IGBT. En considérant que les pertes dans les diodes sont très faibles par rapport aux pertes dans les IGBT (cf. tableau III.2), au même point thermique sur les deux bancs (même température de radiateur, même débit de ventilation), la puissance absorbée sur le banc auxiliaire est équivalente aux pertes “silicium” sur le banc onduleur. De plus, sur le banc auxiliaire, sous faible tension, il est possible de faire des mesures de température sur les puces semi-conductrices et sur le substrat.

3.4.4.2 Résultats et commentaires

Essai N°1

Tension d’alimentation=450V, courant maximal traversant les interrupteurs=50A,

cosϕ=0, τmodulation max, FBF=100Hz, Tsemelle=95°C, Tambiant=20°C

Essai N°2

Idem que pour l’essai N°1 avec Tsemelle=70°C

F dec (KHz) 15,9 KHz 20,8 KHz 15,9 KHz 20,8 KHz

Puissance (W) 283 W 342 W 267 W 319 W

Totales Par interrupteur Totales Par interrupteur Pertes par commutation à

20,8 KHz (W) 250 W 63 W 221 W 55 W

Pertes par conduction (W) 92 W 23 W 99 W 25 W

Essai N°3

Idem que pour l’essai N°1 avec tension d’alimentation = 300V ,

Essai N°4

Idem que pour l’essai N°1 avec Courant maximal traversant les

interrupteurs =25A,

F dec (KHz) 15,9 20,8 15,90 20,80

Puissance (W) 207 W 242 W 143 W 171 W

Totales Par interrupteur Totales Par interrupteur Pertes par commutation à

20,8 KHz (W) 149 W 37 W 120 W 30 W

Pertes par conduction (W) 93 W 23 W 54 W 14 W

Tableau III.5 : résultat des mesures de pertes pour un pont équipé de modules Mitsubishi

Concernant l’essai N°1, le recalage du banc auxiliaire nous donne les résultats suivants :

Conditions générales de l'essai V ventilateur=6,73V, T1 radiateur=85,2°C, T2 radiateur=63,2°C

Pertes silicium (W) 342 W

Pertes dans les condensateurs

Ic eff (A) 12,5 A

ESR (ohms) 0,06 Ω

P(W) totales 37,5 W

Pertes dans les inductances (W) 13 W

Tableau III.6 : mesure de pertes sur le banc auxiliaire, au même point thermique que sur le banc principal

Grâce aux résultats du tableau précédent, il a été possible d’obtenir les pertes par commutation et conduction, pour chaque essai (cf. tableau III.5). On constate entre ces différents essais que :

- Les pertes par conduction diminuent avec la température (essai N°1 et N°2). En effet, pour un courant inférieur ou égal à 50 A, on se situe dans la zone où la diminution de Vcesat est plus importante que l’augmentation de la résistance dynamique (cf. datasheet du module Mitsubishi en annexe).

- Les pertes par commutation augmentent avec la température (essai N°1 et N°2). Ceci est dû au fait que les temps de commutation augmentent.

- Les pertes par commutation augmentent avec la tension d’alimentation (essai N°1 et N°3). Il est facile de voir que le ratio entre les tensions est égal au ratio entre les pertes par commutation, pour ces deux essais.

- Les pertes par commutation et par conduction augmentent avec le courant commuté.

La même campagne de mesure des pertes a été menée sur un banc équipé de modules Eupec. Le recalage thermique d’un banc auxiliaire équipé des mêmes modules n’a pas été nécessaire car les composants passifs utilisés lors de ces essais sont identiques sur les deux bancs (banc Mitsubishi et banc Eupec). Les résultats de ces mesures de pertes sont donnés dans le tableau suivant.

Condition de la mesure Essai N°1 Essai N°2 Essai N°3

F dec (KHz) 15,9 20,8 15,9 20,8 15,9 20,8

Puissance (W) 287,5 345,5 272,5 325,5 220,5 255,5

Totales Par interrupteur Totales Par interrupteur Totales Par interrupteur Pertes par commutation à

20 KHz(W) 246 W 62 W 225 W 56 W 148 W 37 W

Pertes par conduction (W) 99 W 25 W 101 W 25 W 107 W 27 W

Tableau III.7 : résultats des mesures de pertes pour un pont équipé de modules Eupec

En comparant les pertes obtenues pour les deux types de modules IGBT, pour les mêmes conditions, on constate que globalement, les pertes obtenues avec les modules Eupec sont très légèrement supérieures (entre 1 et 2% d’écart par rapport à un module Mitsubishi). on peut aussi constater que :

- Les pertes par conduction sont plus élevées avec des modules Eupec, - Les pertes par commutation sont plus élevées avec les modules Mitsubushi.

Cette différence entre les pertes par commutation et conduction est en accord avec les différences technologiques entre ces deux types de modules IGBT (cf. chapitre II).

La figure suivante nous donne les résultats des mesures de température effectuées sur un module IGBT ouvert et placé sur le banc auxiliaire. Ces températures ont été mesurées grâce à une sonde thermocouple et dans les conditions de l’essai N°1.

Ilot Collecteur Collecteur Ilot Grille Ilot Emetteur Ilot « relais » Ilot Emetteur Commande T=86.5°C T=87.8°C T=124.5°C T=138.1°C T=126.5°C T=89.2°C

Figure III.35 : mesure de température dans un module IGBT

On constate que le gradient de température sur la puce est important. Ceci est dû au fait que la puce IGBT dissipe plus de pertes qu’en fonctionnement normal (pertes IGBT plus pertes diode). Malgré ceci, la température moyenne sur la puce IGBT est quasiment égale à 125°C.

3.4.5. Conclusion

Nous avons mis au point une nouvelle stratégie de commande pour la méthode d’opposition. Cette stratégie par contrôle des temps de décalage est très performante et simple à mettre en œuvre. Une carte de commande numérique basée sur l’utilisation d’un FPGA a été développée pour la commande d’un pont. Cette carte de commande permet de maîtriser le courant inter-bras, et donc le courant parcourant les interrupteurs de puissance. Ce courant constitue un stress important pour les composants (puces IGBT et diode, condensateurs électrochimiques). Rappelons que la valeur maximale de ce courant a été fixée à 50A (courant spécifié par le constructeur des modules IGBT).

A partir de cette commande en opposition, utilisée sur un pont, il a été possible de mener une campagne de mesures de pertes. Le résultat de cette campagne est que dorénavant, nous connaissons exactement la quantité de pertes au sein du module de conversion et donc la puissance à fournir au montage durant les futurs essais de fiabilité. Ce résultat sera réutilisé lors des simulations thermiques “fines” (entrée pour le modèle thermique, sous REBECA-3D). Les résultats de ces mesures de pertes démontrent, s’il était encore nécessaire, les avantages indéniables de la méthode d’opposition pour ce type d’essai de fiabilité. Nous allons voir que, durant les essais de fiabilité, il est impératif de faire fonctionner les modules IGBT à haute température. Cette température doit être maintenue constante et nous allons voir comment.