Modes de défaillance d’une cellule de commutation (AMDEC)

2.5.1 Introduction

Cette partie est consacrée à l’étude des modes de défaillance d’une cellule de commutation de type onduleur de tension dans laquelle sera placé un module IGBT. Le début de ce chapitre a été consacré à l’état de l’art sur les mécanismes de dégradation et les modes de défaillance pouvant intervenir sur ces composants. Ces modes de défaillance sont au nombre de deux, et peuvent se résumer ainsi :

- Puces semi-conductrices en court-circuit physique. Le composant reste à l’état passant (le silicium est très légèrement résistif),et perd sa commandabilité dans le cas d’un IGBT (grille en court- circuit) ou son aptitude à s’ouvrir pour la diode. C’est le mode de défaillance le plus courant et le plus probable, d’après les conclusions de l’étude menée précédemment. (cf. paragraphe 2.3.6) - Interrupteur en circuit ouvert. Ce mode de défaillance n’est pas lié aux puces en elles-mêmes mais

à leur environnement proche (bondings, brasure, substrat isolant). De multiples dégradations subies par le composant peuvent amener l’interrupteur de puissance dans cet état.

Ces modes de défaillance peuvent être considérés comme internes aux composants de puissance, et nous allons voir par la suite que d’autres défaillances peuvent apparaître au sein d’une cellule de commutation. Cette étude est primordiale avant la conception de quelconques protections.

Pour représenter les différents modes de défaillance d’une cellule de commutation complète, nous nous sommes aidés d’une méthode couramment utilisée dans le domaine de la fiabilité et de la sûreté de fonctionnement : l’AMDEC (Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leurs Criticités).

2.5.2 Présentation de la méthode

L'AMDEC est une méthode inductive d'analyse systématique des causes de défaillance et de leurs effets sur un système. Développée initialement en aéronautique, dans les années 60 aux USA, elle est devenue très rapidement une méthode "normalisée" (norme AFNOR X 60-510) dans des domaines très sensibles à la sûreté de fonctionnement :

- Aéronautique (Airbus) - Espace

- Nucléaire (EDF)

- Systèmes électriques (recommandée par le CEI – norme 812 et l'IEEE) - Depuis peu en Automobile

Cette méthode permet de faire apparaître, sous la forme d'un tableau, les relations de cause à effet relatives aux défauts et défaillances du système étudié dans son environnement. Les combinaisons

particulières de défauts conduisant à un effet majeur et à forte criticité sont ainsi mise en évidence de façon systématique ; de même que la sensibilité de certains défauts sur l'intégrité du système.

L'AMDEC est généralement une méthode qualitative qui s'appuie sur la connaissance fonctionnelle et technologique d'un système ou sous-système : elle part du défaut le plus particulier jusqu’à la défaillance la plus générale (quels composants ? pour quels modes de défaillance ? avec quels effets ?). Elle constitue, de fait, un point de passage obligé dans l'analyse prévisionnelle de la sûreté des systèmes que ce soit en phase d'expertise ou en phase de conception. L'AMDEC implique une connaissance approfondie du système, de son mode d'exploitation, de ses limites et de son environnement.

Pour information, voici une liste non exhaustive des méthodes inductives autres que l'AMDEC : Hazop (hazard and operability study) pour les systèmes hydrauliques, méthode du diagramme de succès (ou diagramme de fiabilité), méthode des combinaisons de pannes résumées, méthode de l'arbre des conséquences, méthode de l'espace des états (ou chaîne de Markov : généralisation du diagramme de fiabilité aux sous-systèmes réparables et fortement couplés), … Plusieurs livres existent sur l’AMDEC [Villemeur] [Zwingelstein].

2.5.3 Application à la cellule de commutation

Le vecteur de test que nous avons choisi pour mener nos essais de fiabilité est une cellule de commutation, de type onduleur de tension. L’étude AMDEC va porter sur cette entité. Avant de présenter cette étude, un rappel sur les terminologies employées est nécessaire.

Le "défaut" traduit un fonctionnement anormal, généralement ponctuel et réparable d'un sous-système. Selon son effet et la gestion qui en est faite, le défaut peut être confiné ou alors se transformer en "défaillance" traduisant la perte de fonctionnalité permanente et complète du composant ou du sous-système. La défaillance est très souvent "l'effet visible" ou "observable" d'un défaut. On parle ainsi de "mode de défaillance".

Le résultat de l’étude AMDEC que nous avons menée sur la cellule de commutation se compose de deux objets : le tableau de l’AMDEC récapitulant tous les défauts pouvant apparaître sur cette cellule de commutation et tous les modes de défaillance qui en découlent. A chaque fois, le mode de défaillance est analysé (cause, effet, gravité, criticité). Ce tableau est complété par un arbre de défaillance permettant une meilleure observation de l’enchaînement des défauts. La figure II.29 représente cet arbre de défaillance.

Défaillance de la commande d'un IGBT, de type fermeture ou non-

ouverture [court- circuit de type 1]

Détection et arrêt de la cellule

oui

non

Défaillance en court-circuit d'une puce IGBT

[court -circuit de type 2]

Détection et arrêt de la cellule

oui

non

Défaillance en circuit ouvert d'une puce IGBT par décollement de ses

bondings

(l'autre puce reste, généralement, défaillante en court- circuit)

Défaillance de la commande d'un IGBT, de type ouverture

Détection et arrêt de

la cellule

oui

non

Perte d'une alternance de modulation.

Fonctionnement très dégradé de la charge.

Défaillance en circuit ouvert d'une puce Diode

Défaillance en court- circuit d'une puce Diode

Problème de connexion, défaillance du driver

Problème CEM Effet de la corrosion

Effets du cyclage thermique (décollement des bondings, délamination)

- Effet du cyclage thermique (délamination des brasures, cassure au niveau de la puce) - Dépassement de l’aire de sécurité ( avalanche thermique, claquage par avalanche électronique,

latch- up)

- Effet du vieillissement de l’oxyde de grille (rupture diélectrique)

- Effet du rayonnement cosmique (dégradation de l’oxyde de grille, destruction des puces, latch-up ) - Effet de l’électromigration (diffusion d’Al dans les

puce s)

Dépassement de l’aire de sécurité de la puce (avalanche thermique, avalanche

électronique)

Snappy recovery [ Rahimo ] [Shammas]

Détection et arrêt de la cellule

non o u i

Nous observons bien qu’il existe un mode de défaillance que l’on pourrait appeler “fonctionnel” lié à la cellule de commutation : c’est le court-circuit de type I. Cet arbre de défaillance nous montre aussi que la plupart des défaillances non détectées aboutissent inévitablement à la destruction d’une puce IGBT de la cellule, engendrant un court-circuit de type II. Ces deux types de court-circuit sont très différents : il n’ont pas les mêmes causes ni les mêmes signatures. La définition et l’analyse de ces deux types de court-circuit sont présentées plus bas. Nous verrons aussi comment il faut traiter l’apparition des ces court-circuits. Le détail de ces différents modes de défaillance a fait l’objet d’une publication en congrès [Vallon].

2.5.4 Conclusion et stratégie proposée

L’analyse AMDEC nous a permis de mettre en évidence les différents modes de défaillance pouvant apparaître au sein d’une cellule de commutation, en les corrélant aux mécanismes de dégradation que subit le module IGBT de cette cellule. Ces modes de défaillance sont les suivants :

- Défaillance de type circuit ouvert (IGBT et diode)

- Défaillance de type court-circuit type I (défaut de commande) - Court-circuit de type II (défaillance de puce)

Cette analyse va nous permettre de déterminer quelles protections nous devrions mettre en place pour détecter et couper le premier défaut. Les protections qui vont être utilisées sont : un organe de protection pour les puces IGBT capable d’agir en cas de court-circuit (type I et II), et un dispositif de détection de défaut de diode (ouverture). Ce dispositif a été prévu mais n’a pas été mis en place.