Présentation de la carte de régulation

La carte de régulation de température a été réalisée à base de composants analogiques. Le schéma de cette carte est présenté sur la figure III.37. Sur cette carte, la mesure de température de semelle d’un module IGBT est effectuée grâce à une sonde de type PT1000 placée sous le module, à la verticale des puces. Le conditionneur associé à cette sonde se constitue d’un pont de Wheatstone suivi d’un amplificateur d’instrumentation. Le choix des différents composants de cette chaîne de mesure a été fait de manière à minimiser l’auto échauffement de la sonde, tout en ayant des niveaux et une sensibilité corrects.

Pour la régulation, toutes les températures de semelle des modules IGBT sont mesurées. Ceci nous permet d’assurer un bon fonctionnement de la régulation en cas d’arrêt d’un pont. En effet, lorsqu’un défaut apparaît sur un des ponts du module de conversion, ce pont s’arrête, donc la puissance thermique injectée sur le radiateur est divisée par deux. Le but est de permettre à l’autre pont de continuer à fonctionner correctement. Bien entendu, dans ce cas là, la simple régulation d’une moyenne des températures de chaque module IGBT n’est plus valable.

- + - + - + - + - + - + - + 1000 Ω 1000 Ω 1000 Ω 332 KΩ 33.2 KΩ 332 KΩ 33.2 KΩ 33.2 KΩ 33.2 KΩ 33.2 KΩ Ve V1 Vs 33.2 KΩ - + - + - + - + - + - + - + - + -15 V +15 V AD844 15 V 10 KΩ 15 V BUK 34v 2N2907 +15V -15V Op 27 Op 27 Op 27 2N 2905 100 Ω 1 KΩ 100 nF 3.8 V TL 081 36 Ω 100 KΩ 330 KΩ 50 KΩ -15V +15v Mesure de la température consigne _PI Dent de scie Commande MOS MLI Module de conversion

Figure III.37: Schéma de la carte de régulation de température

La température des modules IGBT du pont arrêté va diminuer, donc la régulation de température va agir en diminuant le débit de ventilation et donc provoquer une augmentation de la température des modules en fonctionnement. Ce problème de gestion de la marche et de l’arrêt des ponts a été résolu de la manière suivante : en mode de fonctionnement normal, la carte régule la somme de toutes les températures de semelle mesurées autour d’une consigne TC1. En cas de défaut et d’arrêt d’un pont, les mesures de température des modules IGBT de ce pont seront annulées et la consigne de régulation change. Vu la très grande constante de temps du régulateur, ces permutations sont transparentes pour le correcteur de la boucle. Ces permutations sont possibles grâce à des switchs analogiques et les informations de défaut des ponts 1 et 2, venant des cartes de commande. Des protections par détection de température trop élevée sur les modules ont été ajoutées afin d’informer la carte de commande et le système de surveillance d’un dysfonctionnement du système de refroidissement. La figure III.38 est une photo de cette carte de régulation.

Sur cette carte de régulation sont disposés plusieurs connecteurs :

- Un premier connecteur assurant l’échange d’informations entre la carte de régulation et les cartes de commande du module de conversion. L’échange se fait dans les deux sens : la carte de régulation est informée de l’arrêt d’un pont ce qui permet de reconfigurer la régulation de température et les cartes de commande sont informées du “mauvais fonctionnement” du système de refroidissement (échauffement anormal) et donc arrêtent le pont concerné.

- Deux connecteurs sont prévus pour l’acquisition de données : un pour la mesure des quatre températures de semelle des modules IGBT et l’autre pour les informations de “défaut température” des deux ponts.

Sur cette carte sont présentes aussi, toutes les alimentations auxiliaires du module de conversion, à savoir : - les alimentations +5V et +/-15V nécessaires à la carte de commande,

Figure III.38 : carte de régulation de température

3.5.5. Validations expérimentales

Les paramètres du correcteur (K et Ti) ont été ajustés grâce aux potentiomètres disposés à cet effet ainsi que les niveaux de la détection de dépassement de température. Un premier essai a été effectué, avant la réalisation de la carte, afin de valider le principe de la régulation. Cet essai a été réalisé sur le banc auxiliaire (présentation de ce banc au paragraphe 3.3) et pour les conditions suivantes :

Puissance dissipée par les modules IGBT : 75 W/puce IGBT Température de consigne : 90°C

Cet essai vise à mesurer la réponse à un échelon de puissance du système de refroidissement régulé. Cet essai correspond par exemple au démarrage du module de conversion (mise sous tension). La température a été mesurée de manière manuelle grâce à une des sondes PT1000 placées sous les modules IGBT d’un pont, et associées à leurs conditionneurs. La chaîne de mesure de température a fait l’objet d’une validation, qui n’est pas présentée dans ce mémoire.

Après avoir ajusté les paramètres du régulateur et compensé l’offset du ventilateur, d’autres essais ont été menés, après réalisation de la carte de régulation et sur le module de conversion complet. Les conditions de ces tests sont les suivantes :

Tension d’alimentation 450 V Fréquence de découpage 20 KHz Courant inter-bras maximum 50 A Déphasage courant/tension 90 ° Fréquence de modulation 100 Hz Consigne de température de semelle 90 °C Pertes par interrupteur 85* W

* : cf. résultat des mesures de pertes (paragraphe 3.4.5.2)

Les mesures de température ont été effectuées à partir d’une carte d’acquisition et d’une application développée sous Labview afin de lancer une acquisition de données sur une longue durée et de manière automatique. Conditionneurs sondes PT1000 Détection de dépassement de température des modules IGBT Alimentations auxiliaires Alimentation du ventilateur

Figure III.39 : Réponse à un échelon de puissance du système de régulation : mesure des températures des deux modules d’un même pont

On constate que la régulation fonctionne correctement (erreur statique faible, temps de réponse court). Nous nous sommes aussi intéressés à la réponse du système à un échelon de consigne de température. La figure suivante nous donne la température des deux modules IGBT d’un pont, lors d’un changement de consigne (de 90°C à 76°C)

Figure III.40 : Réponse à un échelon de consigne du système de régulation : mesure des températures des modules d’un même pont

Dans ce cas là aussi, la réponse en température est tout à fait correcte. Un dernier essai a été mené afin d’observer comment réagit cette régulation de température en fonction d’une perturbation extérieure au système, à savoir une augmentation de la température de l’air à l’entrée du radiateur. Les résultats de ce test ne sont pas présentés dans ce mémoire mais, on peut affirmer que le système réagit bien par rapport à cette perturbation : l’amplitude du régime transitoire n’est pas importante et la température de semelle des modules IGBT reste égale à la consigne après cette perturbation.

3.5.6. Conclusion

La conclusion de ce paragraphe est que la carte de régulation mise au point pour asservir la température de semelle des IGBT du module de conversion fonctionne parfaitement bien dans le cas d’un échelon de puissance (important ou non), d’une modification de la consigne et d’une perturbation extérieure

au système (augmentation de la température de l’air à l’entrée du radiateur). Les résultats des validations expérimentales nous permettent de dire que la température de fonctionnement des puces sous test (IGBT et diodes) est maintenue constante. Cette affirmation trouve toutes ces raisons au vu des résultats du premier test de fiabilité mené sur le module de conversion. Lors de ce test, présenté au chapitre IV, la température de semelle des modules IGBT est parfaitement constante au cours du temps.

Afin de déterminer avec précision la température maximale de fonctionnement d’une puce IGBT, le gradient de température à la surface de cette puce ainsi que le gradient entre cette puce et le boîtier, une série de simulations couplées (thermique, fluidique et électrique) du banc a été réalisée. Cette campagne de simulation a été complétée par une campagne de mesures de température sur le banc auxiliaire, avec un module IGBT décapoté et une caméra infrarouge. Ces deux aspects de la plate-forme thermique mise en œuvre (simulation et thermographie) seront présentés dans les paragraphes suivants.