Structure retenue

Il est possible d’appliquer la méthode d’opposition au plus petit constituant d’un convertisseur : la cellule de commutation. Ici, on a appliqué cette méthode sur deux cellules de commutation de type bras d’onduleur de tension MLI. Le fait que l’on ait choisi la méthode d’opposition pour des essais de fiabilité se justifie par le fait que c’est l’un des seuls moyens de faire fonctionner des modules IGBT en commutation, en régime permanent, à moindre coût et sur des durées longues (10000 Heures).

Un module de conversion est constitué de deux ponts “onduleur de tension” assemblés sur le même refroidisseur. Ce refroidisseur est constitué d’un radiateur à ailettes refroidi par un ventilateur. Le dimensionnement du système de refroidissement sera traité dans le paragraphe 3.3. Chaque pont est constitué de deux cellules de commutation connectées en opposition (figure III.4). Cette topologie est très élémentaire et voisine de celle d’un onduleur de tension monophasé “classique”.

Module IGBT

Driver

Bras N°1 (bras maître)

Inductance de filtrage Inductance d’opposition Carte de commande Driver Module IGBT

Bras N°2 (bras esclave)

Inductance de filtrage Condensateurs électrochimique s MLI Gestion des défauts arrêt MLI Gestion des défauts arrêt Correcteur - + Alimentation drivers Alimentation drivers Consigne de courant Consigne de tension + + Condensateurs électrochimique s Alimentation

Inductance de découplage des ponts

Vb1 Vb2

Figure III.4 : Topologie d’un pont

Chaque cellule de commutation est constituée d’un module IGBT type bras d’onduleur (deux interrupteurs de puissance dans le même boîtier) associé à un driver (un par module IGBT) et des condensateurs de découplage-filtrage connectés sur le bus continu. La mise en opposition s’effectue par l’intermédiaire d’une inductance de faible valeur.

Des inductances ont été ajoutées sur l’alimentation de chaque cellule de manière à confiner les courants hautes fréquences (fréquence de découpage) dans les condensateurs. Elles servent aussi à isoler les bras entre eux. Ceci a été fait de manière à solliciter en courant efficace ces condensateurs, afin d’observer la dérive de leurs grandeurs caractéristiques au cours du temps: résistance série, capacité, quantité d’électrolyte… (cf. mécanisme de dégradation des condensateurs électrochimique chapitre II).

Une carte de commande a été élaborée par pont. Elle génère les ordres de commande pour les deux drivers et assure la régulation du courant inter-bras. Cette régulation est constituée d’une mesure de courant et d’un correcteur. Cette carte a aussi un rôle à jouer dans l’arrêt du pont en cas de défaut, conformément à la stratégie mise en place pour ces essais de fiabilité (chapitre I). Ces défauts peuvent avoir différentes origines : externe au module IGBT telle que des problèmes de transmission de commande (impulsion parasite, rupture des liaisons avec la commande…) ou interne au module IGBT telle que des phénomènes liés à la température (avalanche thermoélectronique…) ou à la tension (rupture d’un oxyde de grille d’IGBT,

claquage d’une jonction par surtension…). Ils se traduisent généralement par l’apparition d’un court-circuit de bras (cf. AMDEC au chapitre II). Dans ce cas, c’est le driver du bras concerné qui agit en premier (élément le plus proche du défaut). La carte de modulation doit être informée de l’apparition d’un défaut afin d’arrêter l’envoi des ordres de commande aux deux bras (bras défaillant et bras sain).

Le pont est protégé par un fusible rapide de type Protistor afin d’agir au cas où un défaut apparaîtrait et ne serait pas détecté ou coupé par les drivers (premier niveau de redondance). Ensuite, il est prévu, lors des essais de fiabilité, de connecter sur la même alimentation un certain nombre de ponts donc, en cas de défaut sur une cellule (court-circuit de bras), une énergie très importante (plusieurs centaines de joules) pourrait être injectée dans le court-circuit, entraînant le décollement des faisceaux de bonding du module défaillant (pour une énergie de 30J/cm² [Duong]) et l’explosion du module ce qui aurait pour conséquence l’extinction du court-circuit (deuxième niveau de redondance). Enfin, la carte de commande a aussi un rôle à jouer pour protéger le pont. En effet, la présence d’une inductance d’opposition de faible valeur (quelques µH) impose la présence sur cette carte d’une protection par détection de courant maximal. Cette protection, très lente, peut agir en cas de court-circuit de bras non détecté par les drivers (troisième niveau de redondance).

D’ores et déjà il est possible de faire un bilan énergétique en confrontant cette solution à une solution classique, qui consiste à faire fonctionner un onduleur standard sur une charge. Les hypothèses de ce bilan sont les suivantes : dans les deux cas, on souhaite faire fonctionner 90 modules IGBT en même temps. En regardant les datasheets des composants, on peut admettre qu’en régime de forte surcharge, les pertes au sein de ces modules peuvent être estimées à 200W/module IGBT. Ces essais pourraient s’effectuer sur une durée de 2 ans environ. A partir de cette base, il est possible d’établir le bilan suivant :

Coût matériel (puissance) Coût d’exploitation (énergie) Alimentation

de puissance

Une alimentation de quelques KVA pour l’ensemble du banc de test

≅ 350 MWh pour l’ensemble du test

Montage de puissance (onduleur)

45 ponts utilisant la méthode d’opposition

Quelques centaines de KWh nécessaire à l’extraction des pertes (radiateur à eau + échangeur) Méthode d’opposition Charge 0 0 Alimentation de puissance

Une alimentation de 40 KVA par onduleur triphasé, soit une puissance totale de 1,2 MW

≅ 21 GWh dédié à l’alimentation des

onduleurs, sur toute la durée du test Montage de

puissance (onduleur)

30 onduleurs triphasés (produit industriel ou onduleur sur mesure)

Quelques centaines de KWh nécessaire à l’extraction des pertes (radiateur à eau + échangeur)

Onduleur de tension sur charge RL

Charge Une charge RL de 40 KW par onduleur triphasé

Plusieurs centaines de MWh nécessaires au refroidissement des charges

Tableau III.1 bilan énergétique d’un banc de fiabilité en fonction de la structure choisie

Au vu de ce bilan, il est évident que la méthode d’opposition répond parfaitement au critère de limitation du coût matériel (alimentation de relativement faible puissance, absence de charge) et du coût énergétique d’exploitation (il y a un rapport 1000 entre ces deux solutions).