Nouvelles structures électroniques pour le transport électrique : impacts des nouvelles contraintes d'intégration sur les interférences électromagnétiques et moyens de prévision de la compatibilité électromagnétique
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Texte intégral
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(5) À ceux qui comptent, A minha querida mãe, meu irmão e minha irmã,.
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(7) Avant-propos. L. es travaux, présentés ici, résultent d’une convention industrielle de formation par la recherche entre l’entreprise Alstom Transport et le laboratoire Labceem situé au sein du. département de génie électrique et informatique industrielle à l’Institut Universitaire des Technologies de Tarbes. C’est plus précisément au sein du laboratoire commun PEARL – Power Electronics Associated Research Laboratory sur le site d’Alstom Transport à Séméac – que cette convention de recherche entre partenaires industriels et universitaires, le Conseil Général des Hautes-Pyrénées et l’Association Nationale de Recherche et Technologie s’est articulée autour de problématiques telles que l’intégration avancée des architectures et des composants de puissance dans les systèmes embarqués. En tout premier lieu, je tiens à remercier Monsieur Dienot Jean-Marc, professeur à l’IUT de Tarbes et directeur de cette thèse, pour sa confiance et sa considération durant ces trois années. Un grand merci pour m’avoir fait découvrir la Compatibilité Electromagnétique à Tarbes ! A travers ces quelques lignes, je tiens à exprimer ma gratitude à chaque membre du jury. Je pense notamment à : Monsieur Nolhier Nicolas, Professeur à l’Université Paul Sabatier de Toulouse, pour avoir assuré la présidence du jury. Madame Louis Anne, Habilitée à diriger les recherches au sein de l’IRSEEM à Rouen, et Monsieur Démoulin Bernard, Professeur émérite de l’IEMN à Lille, pour m’avoir fait l’honneur de rapporter mon mémoire et pour les différentes suggestions proposées. Je souhaite remercier très sincèrement, Monsieur Lebey Thierry, Directeur de recherche au LAPLACE à Toulouse, pour avoir accepté d’examiner mes travaux ainsi que pour ses remarques franches et constructives. Je présente aussi mes remerciements à Monsieur Pignolet Pascal, Professeur à l’Université de Pau, pour l’intérêt qu’il a porté à la problématique multi-domaine de mon sujet et d’avoir, dans des conditions administratives délicates et des courts délais, accepté d’examiner mes travaux. Je voudrais aussi remercier Monsieur Massol Jean-Luc, enseignant-chercheur à l’IUT de Tarbes, pour avoir assuré le co-encadrement de cette thèse mais aussi pour son soutien.
(8) – notamment pour l’efficacité de ses nombreuses relectures et lors de l’organisation de la soutenance. J’exprime ma reconnaissance à : Monsieur Mermet-Guyennet Michel, Directeur technique du laboratoire PEARL, d’avoir représenté l’entreprise Alstom Transport en acceptant de participer à mon jury et à Monsieur Solomalala Pierre, Ingénieur R&D au sein du laboratoire PEARL, pour, d’une part, avoir accepté sans hésitation de participer à mon jury mais aussi pour son soutien, pour nos discussions passionnées sur le futur de la modélisation ! et surtout pour son amitié et sa franchise. Je souris en y repensant maintenant, mais le protocole de dépôt de thèse m’a tout de même procuré quelques sueurs froides. Pour cela, je remercie Madame Estruga Marie pour sa réactivité et son aide précieuse lors des (trop) nombreuses étapes administratives de l’école doctorale. Un grand merci à tout le personnel du département GEII de l’IUT de Tarbes pour votre accueil et votre sympathie. Avec une attention particulière aux membres de l’atelier guitare : Benoit, Pierre, Manu, Jean-Luc, sans oublier José et Fabien. Il me tient particulièrement à cœur de remercier toute l’équipe du laboratoire PEARL. Ces trois années passées avec vous tous sont chargées d’anecdotes et de très bons moments. Je souhaiterai remercier très sincèrement Emmanuel Dutarde, pour sa considération et pour m’avoir accueillit au sein d’Alstom et du laboratoire. Je remercie aussi tout particulièrement Philippe Lasserre pour son objectivité, sa gentillesse, ses conseils, son temps, ses relectures… la liste est longue… merci Philou, adjimé ! Je voudrais aussi remercier les membres de ma « marguerite », communément appelé l’ilot des psy...losophes ! Il s’agit de : Jeremy Martin le guitar hero et le roi du shred - Satriani n’a qu’à bien se tenir ! -, Selim Dagdag le plus heureux (et oui gros, c’est ça le rock !), José Saiz dit « le king », sans oublier le Grand Jean-Philippe Bellomo qui nous as rejoins un peu plus tard. Nous avons refait le monde… en mots ! Merci à vous… Je pense aussi à M. Bertrand pour son humour ! mon pote pisciniste et rameur Sébastien, encore M. Pierrot, Mlle Céline, Guillaume (Siiiiii…viiiin !), Stéphane, Hassan - à qui je décerne la palme du meilleur public face à mes blagues ! Totafi ! - et aussi les anciens Pearliens qui ne sont plus sur Tarbes : l’expert en LaTeX David, le grand Gustavo et Alberto qui, je cite, « a fait tout ces kilomètres pour voir une bande de g… » !.
(9) Les conditions exceptionnelles dans lesquelles cette thèse s’est déroulée sont dues à votre bonne humeur, à nos longues discussions et à votre amitié. Merci encore pour ces bons moments ! Ces trois années ont aussi étés l’objet de recherches musicales en partant des orchestres psychédéliques jusqu’aux duos improvisés et improbables. Je remercie par ces quelques mots tous ceux avec qui j’ai eu l’occasion de partager quelques (fausses) notes ! Plus particulièrement je pense à mon grand ami John, pour m’avoir fait découvrir le soundpainting et d’autres courants musicaux farfelus ! et aussi à Sylvain, le co-inventeur avec moi-même du FlanjAZz, nouveau concept musical prometteur !! Merci pour votre amitié et pour les nombreuses heures de rigolades et de musique. J’en profite pour apporter une petite pensée affective à… ma guitare ! pour sa justesse et sa tolérance aux canards effroyables! De nombreuses amitiés, qui me sont chères, se sont construites au fil des jours et de ces années. J’aimerai citer toute l’équipe avec qui j’ai découvert ou plutôt re-découvert la gastronomie locale comme entre autre la raclette bigourdane ou encore la gaufre gersoise qui naturellement ne colle pas au moule! Je pense évidement au maître de la supination coréenne Cyrille, à l’expert du rougail saucisse Jean-Luc dit JLU, à notre biblioman et sportman local Jeremy et au pêcheur gardois Jeremy ! Merci à vous les potes pour ces délires, apéros, repas gargantuesques et bons moments !! Je pense aussi à ma coéquipière des doctoriales Clélia, à Joana qui m’a refilé le virus de la contrebasse ! à Julie qui a découvert qu’il était possible de manger un confit de canard en plein mois d’août !, à Stéphane le génie de l’anglais à qui nous devons the f*$$#ing TOEIC !! Je n’oublie pas Bérenger, pour les week-ends festifs à Nuzéjouls !, pour son amitié et son soutien malgré la distance. Et enfin, comme dis le proverbe, les derniers mais non les moindres, je tiens à exprimer toute ma reconnaissance aux membres de ma famille pour leurs encouragements et leur soutien. À ma maman, pour avoir cru en moi, pour m’avoir encouragé à faire les études qui me plaisaient, pour ses précieux conseils et pour m’avoir supporté dans mes choix. À mon frérot et à ma frangine pour leur présence, leur soutien et pour m’avoir écouté pendant de très (très très) nombreuses heures lors des moments de doutes : pardon ! mais surtout Merci !! À mon joli neveu Antoni qui a rejoint la famille durant cette thèse !.
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(13) Sommaire Sommaire_______________________________________________________________ 7 Introduction Générale ___________________________________________________ 17 Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique____________ 23 1.1 Histoire de la traction ferroviaire_______________________________________ 25 1.1.1 Composants et Architectures du domaine ferroviaire__________________ 28 1.1.1 a) Les principales technologies de composants____________________________ 28 1.1.1 b) Histoire et évolutions des architectures _______________________________ 31 1.1.2 Optimisation de design : un nouveau record de vitesse sur rail ! ________ 36 1.2 Les nouveaux enjeux de l’Intégration avancée ___________________________ 37 1.2.1 Les composants industriels actuels__________________________________ 37 1.2.2 Le Démonstrateur de Nouvelle Technologie PEARL : L’onduleur DemoNT _____________________________________________________________________ 39 1.2.3 Les besoins industriels ____________________________________________ 40 1.2.3 a) L’intégration avancée _____________________________________________ 40 1.2.3 b) La haute tension et la moyenne fréquence _____________________________ 41 1.2.3 c) La haute température _____________________________________________ 42 1.2.3 d) Conclusion sur les Besoins Industriels _______________________________ 43 1.2.4 La modélisation multi-physique et multi-domaine ____________________ 43 1.2.4 a) La simulation mixte : Une approche fiabiliste __________________________ 43 1.2.4 b) Etude et analyse électromagnétique __________________________________ 44 1.3 Une nouvelle approche de la Compatibilité Electromagnétique ____________ 46 1.3.1 Introduction à la CEM dans les systèmes embarqués __________________ 46 1.3.1 a) Les phénomènes électromagnétiques conduits __________________________ 48 1.3.1 b) Les couplages électromagnétiques rayonnés ___________________________ 49 1.3.1 c) Les couplages en champs proches ____________________________________ 50 1.3.1 d) Les couplages électromagnétiques et les systèmes embarqués ______________ 53 1.3.2 Une nouvelle problématique _______________________________________ 54 1.3.2 a) La commutation à l’origine des perturbations __________________________ 55 1.3.2 b) Le design, le packaging et les connectiques ____________________________ 55 1.3.2 c) L’auto-compatibilité électromagnétique _______________________________ 56 1.4 Conclusion du Chapitre I _____________________________________________ 57 1.5 Références du Chapitre I ______________________________________________ 59 Chapitre II : Approche CEM expérimentale De la caractérisation vers la modélisation ____________________________________ 63 2.1 Formes d’ondes de la commutation ____________________________________ 65 2.2 Perturbations en conduit autour de la commutation des composants________ 66 2.3 Rayonnement des composants _________________________________________ 69 2.3.1 Introduction aux mesures de rayonnement __________________________ 69 2.3.1 a) Les sondes de champ H : principe de la mesure _________________________ 70.
(14) 2.3.1 b) Les sondes de champ E : principe ____________________________________ 72 2.3.1 c) Les cellules Transverse Electromagnetic Mode (TEM) : principe ___________ 73 2.3.1 d) Applications aux composants de puissance ____________________________ 75 2.3.2 Rayonnement des composants de puissance : le démonstrateur PTR6 ___ 76 2.3.2 a) Mesures en cellule TEM __________________________________________ 78 2.3.2 b) Mesures de champ magnétique _____________________________________ 84 2.3.2 c) Mesures de champ électrique _______________________________________ 86 2.3.3 Nouveau moyen de mesure : EMMATRIX ___________________________ 88 2.4 Interprétations et conclusions sur les mesures ___________________________ 97 2.5 Références du Chapitre II _____________________________________________ 99 Chapitre III : Méthodes de modélisation électromagnétique Vers l’expérimentation virtuelle____________________________________________ 103 3.1 Etat de l’art des différentes méthodes numériques_______________________ 105 3.1.1 Introduction à l’électromagnétisme : Les équations de Maxwell________ 105 3.1.2 Les méthodes de résolution _______________________________________ 106 3.1.2 a) Méthodes dites « Différentielles » __________________________________ 106 3.1.2 b) Méthodes dites « Intégrales »______________________________________ 110 3.1.3 Méthode Hybride choisie_________________________________________ 112 3.1.3 a) Méthode Hybride MoM/FEM _____________________________________ 112 3.1.3 b) Les modèles électromagnétiques compacts ____________________________ 113 3.1.3 c) Technique de maillage adaptatif ____________________________________ 116 3.1.3 d) Phénomènes Hautes Fréquences ___________________________________ 117 3.2 Modélisation Multi-domaine : Applications aux structures de l’EP ________ 119 3.2.1 Introduction à la modélisation multi-domaine, multi-physique ________ 119 3.2.2 Modèles de composants actifs _____________________________________ 120 3.2.3 Modélisation des couplages entre pistes ____________________________ 121 3.2.4 Modélisation de technologies de connectique _______________________ 122 3.2.4 a) modélisation de connectiques de la micro-électronique __________________ 122 3.2.4 b) modélisation de connectiques de l’électronique de puissance______________ 126 3.2.5 Modélisation Electromagnétique autour des composants _____________ 129 3.2.5 a) Modèle 3D du pack IGBT 6.5kV/600A ______________________________ 129 3.2.5 b) Modèle 3D du démonstrateur PTR6 ________________________________ 134 3.2.6 Modélisation Electromagnétique autour du système : un onduleur complet ____________________________________________________________________ 137 3.3 Modélisation du rayonnement ________________________________________ 140 3.3.1 Modélisation de mesure en cellule TEM ____________________________ 140 3.3.2 Modélisation de la matrice de sondes EMMATRIX___________________ 144 3.4 Avantages et limites de la méthode____________________________________ 146 3.5 Conclusion sur les applications de la modélisation ______________________ 147 3.6 Références du Chapitre III ___________________________________________ 148 Chapitre IV : Nouvelles contraintes de l’intégration avancée Impact de la température sur les couplages électromagnétiques ________________ 153 4.1 La température : un impact sur le design et les composants _______________ 155.
(15) 4.1.1 Impact sur les matériaux _________________________________________ 155 4.1.1 a) La température et les matériaux conducteurs _________________________ 155 4.1.1 b) La température et les matériaux isolants _____________________________ 157 4.1.1 c) Conclusion et interprétations______________________________________ 158 4.1.2 Conséquences sur le rayonnement électromagnétique ________________ 158 4.1.3 Conséquences sur les couplages électromagnétiques autour des composants ____________________________________________________________________ 163 4.1.3 a) Impact sur les composants : Mesures en conduit ______________________ 163 4.1.3 b) Mesures en rayonné : la cellule TEM _______________________________ 171 4.1.3 c) Conclusion et Interprétations des résultats ___________________________ 176 4.2 Les nouveaux composants : quels impacts ? ____________________________ 176 4.2.1 Les matériaux à grand gap________________________________________ 176 4.2.2 Conséquences sur les couplages et la CEM __________________________ 178 4.3 Conclusion du chapitre IV ___________________________________________ 179 4.4 Références du chapitre IV ____________________________________________ 180 Chapitre V : Conclusion générale & Perspectives _____________________________ 183 ANNEXES ______________________________________________________________ 189 A1- Exemples de procédés de fabrication de substrat _______________________ 190 A2- Impédances réelles des composants passifs ____________________________ 192 A3- Evolution de l’impédance d’onde en fonction de la distance _____________ 194 A4- Photographies des démonstrateurs développés ________________________ 195 A5- Exemple de modèle compact ________________________________________ 196 Table des figures_______________________________________________________ 197 Table des tableaux _____________________________________________________ 204.
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(17) Introduction Générale.
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(19) L. ’étude présentée dans ce mémoire est le fruit d’une association scientifique et technologique entre le LabcEEm (Laboratory for Electromagnetic interferences, noises. & couplings in EMbedded electronics architectures) et la société Alstom Transport par le biais d’une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE). Les recherches, développées ici, ont été effectuées sur le site de Tarbes-Séméac au sein du laboratoire PEARL (Power Electronics Associated Research Laboratory) dont la problématique principale est le développement de l’intégration avancée des architectures de puissance. Son principal objectif industriel est de tendre à une réduction massive des poids et volumes des chaînes de traction. Pour ce faire, le laboratoire PEARL évalue et développe de nouvelles technologies d’architectures de puissance, de composants et d’environnement de composants (packaging) hautes tensions, hautes températures et hautes fréquences. Ces trois derniers facteurs cumulés à la compacité des architectures et des modules de puissance ont révélé un nouveau paysage où les contraintes électriques, thermiques et électromagnétiques sont de plus en plus importantes et présentes. Ce nouvel environnement est, sans nul doute, lié à l’évolution de la microélectronique de puissance où les composants sont devenus de plus en plus rapides avec des calibres en tensions et courants très élevés. Au cours du chapitre I, nous établirons une synthèse historique des architectures électriques de la traction ferroviaire ainsi que de l’évolution des différentes technologies de composants de puissance. D’un point de vue de la Compatibilité Electromagnétique (CEM) de nouvelles problématiques apparaissent et évoluent avec l’utilisation de ces nouveaux composants. Nous détaillerons, dans ce premier chapitre, un état de l’art des phénomènes induits par les composants de puissance ainsi que la spécificité de la nouvelle problématique électromagnétique au sein des systèmes embarqués. De par l’intégration avancée, les couplages autour des composants et des architectures de puissance sont de plus en plus présents, notamment en champ proche. Pour appréhender la CEM autour de l’électronique de puissance, il est essentiel de considérer la commutation de puissance comme une source électromagnétique. Dans le chapitre II, nous caractériserons, par une approche expérimentale, le rayonnement de différentes technologies actuelles de composants de puissance en régime de commutation. Plusieurs paramètres impactant sur le rayonnement, comme l’amplitude de la tension commutée ainsi que la fréquence de commutation, seront considérés et un comparatif du rayonnement des technologies de transistors IGBT et MOS sera aussi présenté. Nous discuterons de la difficulté, dans des structures industrielles de puissance, d’accéder à certaines mesures de rayonnement. En effet, la compacité et les fortes puissances de ces.
(20) architectures, ne permettent pas l’utilisation de moyens de mesure conventionnels de la CEM comme les bancs de scan avec des sondes de champs proches et les familles de cellules TEM par exemple. De par ce constat, nous définirons la CEM des composants de puissance comme un domaine électromagnétique particulier où les champs proches sont d’amplitudes très élevées et avec des signaux très large bande. Dans ce contexte, nous aborderons le développement d’un moyen de mesure adapté et non intrusif au fonctionnement des architectures de puissance. De par son intégration au plus près des composants de puissance, nous analyserons le rayonnement de composants de puissance dans des conditions de tests concrètes d’un point de vue industriel. Les structures de l’électronique de puissance sont très complexes et comportent de nombreuses interfaces qui jouent un rôle sur leur comportement rayonné. Evaluer ce rayonnement et les couplages qui en résultent devient difficilement estimable par les moyens analytiques classiques. Couramment utilisée dans des domaines comme la mécanique et la thermique, la considération des géométries 3D avec l’utilisation d’outils de simulation adaptés semble permettre de répondre finement à certaines questions liées à l’électromagnétisme. Dans le chapitre III, un tour d’horizon des méthodes numériques sera présenté. Nous détaillerons la méthode choisie dans ce contexte de simulation électromagnétique appliquée aux composants de puissance et plusieurs exemples industriels seront abordés. La validation de ces méthodes par des comparaisons des résultats expérimentaux avec ceux issus de la simulation laisse envisager certaines optimisations de conception avant même la réalisation des premiers prototypes : on parle alors de « prototypage virtuel ». Nous discuterons de ces étapes d’optimisations virtuelles dans une approche CEM sur des exemples d’applications industrielles. La problématique multi-physique et multi-domaine présentée au premier chapitre sera abordée par la modélisation numérique. Et en particulier la problématique électriquethermique-électromagnétique qui soulève de nombreuses questions quant à la CEM des systèmes embarqués et à l’impact de la température sur le rayonnement des composants de puissance. Au cours du chapitre IV, nous estimerons par plusieurs approches expérimentales cette influence de la température sur le comportement électromagnétique des structures passives et actives mises en œuvre dans les architectures de puissance. Une approche de modélisation numérique électromagnétique-thermique sera proposée et détaillée sur des exemples industriels..
(21) Enfin, en perspectives et avec l’ensemble des résultats détaillés dans ce mémoire, nous discuterons du comportement CEM et du rayonnement attendu des nouveaux composants de puissance en cours de recherche et développement : les semiconducteurs à grand gap..
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(23) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. - 23 -.
(24) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. - 24 -.
(25) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. 1.1 Histoire de la traction ferroviaire. L. es premières voies ferrées, telles que nous les connaissons aujourd’hui, apparaissent en Angleterre dans les années 1820. Pourtant c’est en France, aux environs des années. 1540, que le principe est développé. A cette époque, les engins de traction sont hippomobiles et les rails en bois ! Très rapidement, cette nouvelle technologie est utilisée pour le transport et l’extraction des matières premières lourdes et difficilement transportables. Fort de ce succès, le principe se répand très vite dans toute l’Europe où l’activité minière est en plein essor. La figure 1-1 illustre la plus ancienne représentation des rails connue à ce jour. Cette gravure allemande, représentant un mineur déplaçant un wagonnet de minerai, est datée des années 1550 [PCH01].. Figure 1-1. Gravure sur bois de la plus ancienne image de rails connues, parue à Bâle, représentant la vie quotidienne à la mine alsacienne de Leberthal, Allemagne, 1550.. Peu à peu, les chevaux sont remplacés par des engins autonomes. Au début du XVIIIe siècle, avec l’apparition des rails en fer, le « chemin de fer » prend un nouveau tournant et devient le mode de transport de personnes dominant. C’est un anglais, Richard Trevithick, qui invente la première locomotive à vapeur en 1804. Celle-ci connaitra de nombreuses pannes en raison de son poids important bien que le problème majeur reste le contact métallique roue/rail très peu adhérent pour cette première version. Le principe de la vapeur ne convaincra pas tout de suite et restera inconnu du grand public pendant encore quelques années. C’est l’américain George Stephenson, près de dix ans plus tard, qui élaborera la première locomotive à roue adhérente, suivie un peu plus tard de la mythique « Rocket » qui est la première locomotive à structure tubulaire [SCI], voir figure 1-2.. - 25 -.
(26) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. Figure 1-2. La « Rocket » à vapeur de Stephenson exposée au Science Museum de Londres.. Cette dernière connaitra une évolution importante suite aux travaux du français Marc Seguin sur la chaudière tubulaire qui multipliera par six la puissance de la locomotive. Au vu de ces bonnes caractéristiques, ce type de locomotive fleurira sur le sol européen et américain et restera le standard ferroviaire pendant plus d’un siècle. Un exemple de ce type de locomotive est illustré sur la figure 1-3.. Figure 1-3. Locomotive à vapeur de forte puissance équipée d’une chaudière tubulaire.. Bien que très contestée, la mise en place des chemins de fer passionne et rassemble de très grandes foules de spectateurs. Et pourtant ce n’est que le début de cette grande épopée ! La première locomotive électrique est mise au point par Ernst Werner Von Siemens en 1879. Ce bijou de technologie sera présenté à l’exposition des métiers à Berlin, voir figure 1-4.. - 26 -.
(27) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. Figure 1-4. La première locomotive électrique de Siemens présentée à l’exposition des métiers de Berlin.. En comparaison à une locomotive à vapeur, qui peut remorquer 160 tonnes à 35km/h en rampe de 27%, une locomotive électrique pouvait remorquer 260 tonnes à plus de 55km/h [JAL08]. Malgré sa puissance, cette innovation présente un inconvénient majeur : l’électrification des lignes de chemins de fer qui est très couteuse. Ce n’est qu’au début du XXe siècle, en conséquence à l’augmentation considérable du prix du charbon, que les premières lignes électrifiées apparaissent. Très vite ce moyen de transport va s’étendre principalement sur l’Europe et l’Amérique du nord mais aussi sur le monde entier. Le tableau ci-dessous témoigne de cette répartition mondiale des chemins de fer à la fin du XXe siècle.. TABLEAU 1-I. APERÇU DE LA REPARTITION DES CHEMINS DE FER DANS LE MONDE [SOURCE SNCF ] Europe Longueur totale (km) Répartition en %. Amérique du nord. Asie. Russie. Amérique du Sud. Afrique. Australie. Total Monde. 326350. 293050. 235000. 87157. 84000. 80000. 54652. 1160209. 28. 25. 20. 7.5. 7.5. 7. 5. 100. C’est sans doute ce passé, représentant plus de deux cents ans d’évolution et d’anecdotes, qui fait que les chemins de fer font incontestablement partie de notre patrimoine historique et technologique. Au cours de ces vingt dernières années la traction ferroviaire a pris un tournant décisif. Nous pouvons citer par exemple la grande et la très grande vitesse avec le fameux Train à Grande Vitesse (TGV) Méditerranée, qui a changé de manière significative le transport en France dès son arrivée vers 1980. La figure 1-5 illustre la cartographie des lignes ferroviaires. - 27 -.
(28) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique classiques et grandes vitesses en France ainsi qu’une schématisation de l’impact de ces lignes sur les durées de transport plaçant virtuellement Paris au centre du pays ! Sans nul doute, les éléments déclencheurs de cette progression sont le développement et l’évolution de la microélectronique appliquées aux composants de puissance. En parallèle au développement du « génie électrique » et plus particulièrement des architectures des chaines de traction.. Figure 1-5. Cartographie des lignes à grandes et très grandes vitesses en France (à gauche) et la nouvelle réprésentation temporelle des trajets nationaux (à droite) [source SNCF].. Les technologies de composants les plus couramment utilisées dans le domaine du transport ferroviaire ainsi qu’une synthèse historique des architectures de puissance seront définies dans le paragraphe suivant. 1.1.1 Composants et Architectures du domaine ferroviaire 1.1.1 a) Les principales technologies de composants −. Le Transistor à effet de champ Métal-Oxyde (MOSFET), dont la. structure et le symbole sont présentés sur la figure 1-6, est un composant unipolaire piloté par l’application d’une tension sur la grille isolée.. Figure 1-6. Structure et symbole d’un MOSFET de puissance.. - 28 -.
(29) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique Avec cette technologie de grille isolée, le courant de grille IG est quasi-nul, ce qui simplifie la stratégie de commande de ce composant [BBA96]. La limitation majeure de cette technologie pour des applications à fortes puissances reste l’augmentation de la résistance à l’état passant Ron proportionnelle à la tension bloquée, provoquant des pertes par conduction importantes [LLO07]. Nous trouverons sur la figure 1-7, l’évolution de Ron en fonction de la tension bloquée pour différentes technologie de MOSFET.. Figure 1-7. Caractéristique de la résistance Ron en fonction de la tension bloquée.. −. Le Thyristor Gate Turn Off (GTO) est un composant bipolaire de. puissance pilotable par l’application d’un courant Ig sur la gâchette. Il est largement utilisé dans des applications de forte puissance [BBA96]. Ce composant est une association de quatre couches de silicium dopées alternativement PNPN, illustrées sur la figure 1-8. Il comporte trois plots de connexion : l’anode A, la cathode K et la gâchette G que l’on retrouve sur le symbole du composant.. Figure 1-8. Structure et symbole d’un thyristor Gate Turn-Off.. Contrairement à un thyristor classique, le GTO est blocable par l’application d’un courant Ig de polarité négative sur la gâchette. La figure 1-9 illustre ses caractéristiques de sortie courant I en fonction de la tension V aux bornes du composant ainsi que le comportement à la commutation en fonction de la polarité du courant de grille.. - 29 -.
(30) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. Figure 1-9. Caractéristiques idéales de sortie d’un thyristor Gate Turn-Off.. On peut noter de récentes évolutions technologiques des GTO avec un étage de commande intégré comme les Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) qui ne nécessitent pas de circuit d’aide à la commutation. −. Le Transistor Bipolaire à Grille Isolée (IGBT) est l’association. monolithique d’un composant bipolaire et unipolaire. Une structure Punch-Through (PT) ainsi que le symbole classique d’un IGBT sont illustrés sur la figure 1-10.. Figure 1-10. Structure classique et symbole d’un IGBT.. Cette association présente l’avantage vis-à-vis d’un MOSFET d’une modulation de la résistivité à l’état passant (effet bipolaire) tout en gardant la possibilité d’une commande simple par la tension [BBA96]. Cette commande en tension Vge ainsi que les caractéristiques idéales d’un IGBT sont schématisées sur la figure 1-11.. Figure 1-11. Caractéristiques idéales de sortie d’un IGBT.. - 30 -.
(31) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique Par cette modulation de résistivité à l’état passant, le composant IGBT sera plus performant que le MOSFET pour des forts calibres en courant. Les inconvénients majeurs de cette technologie restent la phase de trainage du courant au blocage limitant la fréquence d’utilisation par rapport à un MOSFET et le phénomène de thyristor parasite, ou latch-up, qui peut amener la destruction du composant. 1.1.1 b) Histoire et évolutions des architectures Au fil des décennies et aujourd’hui encore, les architectures et structures des chaines de tractions évoluent vers un seul objectif : la grande vitesse. Au fil du temps chaque partie, aussi bien les moteurs que les blocs électriques, ont été amenés à évoluer. Nous trouverons dans ce paragraphe un bref récapitulatif des plus importantes évolutions de la traction ferroviaire. Dans les années 1880, au début donc de la traction ferroviaire, la technologie de moteur utilisée était les moteurs à courant continu (MCC). Ces derniers fournissent un couple C proportionnel à un courant continu I injecté dans le bobinage du rotor. Le réseau électrifié est alimenté en tension continue, variant de 600 à 1000 Volts selon la région. La première solution de commande adoptée fut basée sur des commutateurs mécaniques et des ponts résistifs R, dont nous trouverons un schéma de principe sur la figure 1-12.. Figure 1-12. Schéma de principe des premières versions d’architectures de commande à base de contacteurs et de pont résistif pilotant des moteurs à courant continu [MDE].. La vitesse V du moteur, pour une tension d’alimentation U donnée, est exprimée par l’équation : V=. U − RI kφ. equ 1-1.. Où φ est le flux magnétique dans les pôles du moteur et k fonction du nombre de conducteurs dans l’induit. Les bobinages du moteur ayant un comportement inductif, des arcs électriques se forment à chaque coupure physique du courant par les contacteurs mécaniques. Ce qui détériore ces pièces de façon rapide et irréversible. Le remplacement de celles-ci à intervalles trop rapprochés est devenu limitatif d’un point du vue industriel. Pour pallier à cette. - 31 -.
(32) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique contrainte, les premiers transformateurs graduateurs apparaissent, ainsi que les premiers réseaux électrifiés alternatifs de fréquence 16 Hertz 2/3, puis à une fréquence dite « industrielle » de 50Hz. Les deux premiers blocs du schéma fonctionnel de la chaine de traction tel que nous le connaissons aujourd’hui se dessinent, voir la figure 1-13 ci-dessous.. Figure 1-13. Schéma fonctionnel d’une chaine de traction autour d’un moteur à courant continu.. Les chaines de traction deviennent de plus en plus robustes mais les ratios poids/puissance indiquent un inconvénient majeur : le poids. Commence alors une vague d’optimisation qui touchera aussi bien les moteurs que les architectures : c’est le début de l’intégration ! Les progrès en microélectronique de puissance semblent permettre une réduction de poids des machines de traction ; les premiers composants électroniques sont utilisés dans les architectures de traction ferroviaire. La première utilisation du silicium dans le ferroviaire apparait dans l’étage redresseur au milieu des années 1960 avec les ponts à diodes. Puis dix ans plus tard le thyristor, utilisé pour sa capacité à être piloté à l’amorçage, permet le développement du pont redresseur contrôlé : le pont de Graëtz. En conséquence, le transformateur jusque là graduateur devient à rapport de transformation fixe mécaniquement plus fiable. C’est alors le réglage de l’angle de conduction des thyristors qui permet de faire varier la tension aux bornes du moteur. Cet angle est piloté par un système électronique analogique faible puissance. Les technologies de commande mécanique font place à cette commande électronique, aussi appelée driver. Le MCC devient de moins en moins adapté à la puissance fournie par les différents maillons de la chaine de traction. En effet la rotation de l’ensemble le soumet à une force centrifuge telle qu’elle tend à le déformer, imposant une reprise de concentricité du collecteur et un changement régulier des balais [PCH01]. En conséquence, et si l’on ajoute son poids important, le MCC est la prochaine cible d’évolution et d’optimisation. Plus simple d’entretien, le moteur asynchrone (MAS) fait place au moteur à courant continu. Il s’agit d’un. - 32 -.
(33) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique moteur à courant alternatif, le plus souvent composé de trois bobinages disposés à 120° les uns des autres. Chaque bobinage traversé par un courant de fréquence f crée un champ magnétique B. Les courants dans chaque phase étant déphasés de 120° le champ magnétique résultant dans le moteur tourne alors à la même fréquence, 50 tours/sec pour un courant triphasé 50Hz par exemple. Basé sur la loi de Lenz, ce champ magnétique crée un courant induit (courant de Foucault) dans le stator s’opposant à la cause qui lui a donné naissance. Les forces de Laplace qui en résultent exercent donc un couple sur le rotor qui tournera à une fréquence légèrement inférieure à celle du champ magnétique tournant. Cette vitesse de rotation N est donnée par l’équation :. N=. f p. equ 1-2.. où p est le nombre de paire de pôles du moteur. Contrairement au MCC, le MAS est piloté en fréquence et non plus en tension continue. Une nouvelle stratégie de commande est nécessaire et sera mise au point grâce à un nouveau composant : le thyristor Gate Turn-Off ou GTO. Il est pilotable à l’amorçage mais sa spécificité, comme son nom l’indique, est d’être pilotable au blocage ou turn-off en anglais. Ce composant permet l’élaboration d’un nouveau bloc dans la chaine de traction : l’onduleur de tension. Ce dernier, composé de six hacheurs dont deux en série par phase est illustré sur la figure 1-14.. Figure 1-14. Schéma électrique d’un onduleur de tension à GTO alimentant un moteur asynchrone et photographie d’un GTO « press-pack » de calibre 4500V/4000A.. Cette structure permet de générer trois tensions carrées réglables en fréquence, en rapport cyclique et en amplitude. Avec l’inductance de bobinage du moteur, le courant aux bornes d’une phase est lissé et devient quasi-sinusoïdal, c’est le principe de la Modulation de Largeur d’Impulsion MLI ou PWM en anglais représentée sur la figure 1-15. - 33 -.
(34) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. Figure 1-15. Représentation des courants et tensions de phase suivant le principe de la MLI.. Le GTO, plus simple à piloter que le thyristor, sera énormément développé pour les architectures des premiers TGV. A ces puissances-là, les pertes par commutation et par conduction provoquent un échauffement important du composant. Les radiateurs à air forcé, utilisés comme technique de refroidissement jusque là, ne sont plus assez efficaces. Plusieurs solutions de remplacement sont alors recherchées et on envisage alors deux solutions différentes. La première est basée sur une nouvelle technique de refroidissement dite « diphasique » où, comme on peut le voir sur la figure 1-16, la colonne de GTO est directement plongée dans une étuve de liquide diélectrique et caloporteur.. Figure 1-16. Photographies de l’enceinte de refroidissement par immersion de l’onduleur à GTO du Train à Grande Vitesse.. Le plus couramment, il s’agit d’un diélectrique de la famille des fluoro-carbones de type. FC72 par exemple [MDE2]. Ce liquide diélectrique, en entrant en ébullition à basse température, va évacuer les calories jusqu’à une partie froide de l’étuve. Au contact de celleci, il se condense et coule le long des parois et entre de nouveau en contact avec la partie. - 34 -.
(35) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique chaude fermant ainsi le cycle de refroidissement. D’après la littérature, cette technique très performante reste peu développée. En effet, l’étuve devant être parfaitement étanche d’une part et les liquides aux bonnes propriétés étant souvent volatiles, l’entretien de ce type de refroidissement est un problème délicat. C’est pour cette raison que l’autre solution envisagée concerne l’utilisation d’un composant plus rapide à la commutation pour diminuer les pertes. C’est dans ce contexte que l’on testera, au début des années 1990 (cf. 1.1.1.a), une association monolithique d’un transistor bipolaire et d’un transistor MOS : le Transistor Bipolaire à Grille Isolée (IGBT). Son temps de commutation est plus rapide que le GTO, quelques centaines de nanosecondes pour un IGBT et de l’ordre de la microseconde pour un GTO, diminuant ainsi le produit UI à la commutation cad les pertes par commutation. La figure 1-17 illustre le schéma fonctionnel de la chaine de traction tel qu’il est implanté aujourd’hui dans la plupart des locomotives : un transformateur basse-fréquence, un pont redresseur et un onduleur à IGBT pilotant un moteur asynchrone ainsi que l’implantation de ces fonctions dans une locomotive de type TGV.. Figure 1-17. Schéma fonctionnel et implantation en locomotive des blocs d’une chaine de traction autour d’un moteur asynchrone.. L’autre avantage de l’IGBT est que, à l’inverse du GTO, celui-ci se pilote en tension, ce qui simplifie la conception des cartes de commandes, n’ayant plus la nécessité de faire circuler des courants de commande importants ; on se tourne alors vers des composants numériques plus rapides et consommant moins de courant. Avec le développement et les progrès de la commutation de puissance, de nouvelles problématiques techniques apparaissent. Les longueurs de câbles provoquent des surtensions et des surintensités, le potentiel de référence (la masse) subit des oscillations importantes. Tous ces phénomènes apparaissent au moment de la commutation en courant et tension ou à proximité des caténaires, des moteurs et des transformateurs. On soupçonne des fuites de flux magnétiques dans les blocs de traction et le lien avec les champs électrique et magnétique est mis en avant [MDE3] : La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) apparait dans le domaine. - 35 -.
(36) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique de la traction ferroviaire. Nous analyserons plus en détail ces phénomènes dans le paragraphe. 1.3. 1.1.2 Optimisation de design : un nouveau record de vitesse sur rail ! Représentant l’état de l’art des chaînes de traction, la V150 est la rame TGV à l’origine du dernier record de vitesse sur rail. Pour une masse de 268 tonnes, l’électronique de cette rame articulée autour de composants IGBT délivre une puissance à la jante de 19,6 MW [AJE07]. Illustrée sur la figure 1-18, la rame V150 est composée de deux motrices TGV POS et de deux bogies intégrés qui équiperont les futures Automotrices à Grande Vitesse (AGV) d’Alstom. Spécialement renforcée pour le record, plus de 100 000 heures de développement auront été nécessaires pour concevoir et optimiser la rame tout en contrôlant par la modélisation numérique des paramètres comme l’aérodynamisme et l’étude du profil de mission sur la ligne à grande vitesse Est-Européenne. De plus, l’électronique embarquée, qui comporte plus de 350 points de mesures, transforme la rame V150 en un véritable laboratoire roulant. Le 3 avril 2007, ce concentré de technologie atteint la vitesse de 159,6 m/s soit 574,8 km/h pulvérisant le précédent record du 18 mai 1990 par la rame TGV Atlantique.. Figure 1-18. Photographies de la rame TGV-V150 réalisant le record de vitesse sur rail de 574,8 km/h. [source Alstom]. Dans ce premier chapitre nous avons pu voir les objectifs de l’électronique de puissance autour du transport ferroviaire et les contraintes autour des architectures visant la très grande vitesse. Les technologies à semi-conducteurs haute tension, les architectures à commutations rapides pour la traction et le refroidissement des composants de puissance ont été mis en avant comme étant des points cruciaux pour la robustesse des chaînes de traction. Ce sont ces points là qui, aujourd’hui encore, sont au cœur des problématiques des laboratoires de recherche et développement du génie électrique.. - 36 -.
(37) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. 1.2 Les nouveaux enjeux de l’intégration avancée Amorcé en 2001 par l’industrie ferroviaire, le laboratoire Power Electronics Associated Research Laboratory (PEARL) est aujourd’hui moteur dans l’intégration avancée des composants de puissance et le développement d’architectures innovantes pour les systèmes embarqués allant du ferroviaire jusqu’à l’aéronautique. Association de divers cœurs de métiers, le PEARL regroupe plusieurs partenaires académiques et industriels pour chaque domaine d’expertise. Durant la première convention de recherche, de 2001 à 2004, le laboratoire développe et brevète une structure de composant en 3D intégrant plusieurs puces. IGBT et diodes en silicium sur un substrat céramique qui propose de nombreuses solutions aux inconvénients des composants industriels classiques [MGS04]. 1.2.1 Les composants industriels actuels Bien que plusieurs calibres soient disponibles dans le commerce, nous ne détaillerons dans cette partie que le pack IGBT de calibre maximum: le pack 6,5kV/600A dont les éléments sont illustrés sur la figure 1-19.. Figure 1-19. Vue éclatée des éléments du pack IGBT 6,5kV et 600A et détails des puces IGBT et diodes.. Afin de tenir les contraintes électriques de ce calibre important, plusieurs puces IGBT et diodes sont associées en parallèles pour créer la fonction « interrupteur élémentaire », dans. - 37 -.
(38) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique notre cas d’étude, 24 puces IGBT et 12 puces diodes sur 6 substrats céramiques. Le détail de la mise en parallèle des puces IGBT et diodes sur un substrat est illustré sur la figure 1-20.. source [Ph.Lasserre, Alstom Transport]. Figure 1-20. Détails de la mise en parallèle de puces sur un substrat céramique constituant un module de puissance commercial.. Pour éviter les risques de claquages diélectriques et les phénomènes de contournement, l’ensemble est encapsulé dans un gel silicone isolant. Les puces en silicium reposent sur des substrats céramiques qui comportent des métallisations en cuivre sur les faces supérieure et inférieure, le plus souvent déposées par des procédés Direct Bonded Copper (DBC) ou Active Metal Brazing (AMB) [Annexe 1]. Le motif des pistes est obtenu par une attaque ou gravure chimique sur le cuivre préalablement imprégné d’une résine photosensible comme la gravure d’un Printed Circuit Board (PCB) classique. Ces substrats sont à leur tour brasés sur une semelle avec de bonnes propriétés en termes de conductivité thermique, le plus souvent de l’aluminium (Al) qui peut être aussi renforcé en particules de carbure de silicium (Al-SiC). Cette semelle est alors connectée au système de refroidissement. Vu le type de structure planaire de ce genre d’assemblage, les différents pads des puces en silicium comme les pads de grille et d’émetteurs pour l’IGBT par exemple sont directement connectés par des petits fils d’aluminium de 300 à 500 µm de diamètre : le wire-bonding (voir figure 1-20). Nous trouverons dans [MCI06] une étude fiabiliste ainsi qu’une bonne synthèse des cas de ruptures mécaniques, électromécaniques et thermomécaniques de ce type de connectique utilisé dans des applications à fortes puissances. La figure 1-21 illustre des détails de rupture de ce genre de connectique micro-électronique dans des applications forts courants et tensions. Cette étude sur l’impact des brutales variations de température et des densités de courants élevées dans les wire-bonding montre la fragilité de ce type de connectiques en électronique de puissance et dénonce ce genre de rupture mécanique comme source de destruction complète du pack IGBT.. - 38 -.
(39) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. Figure 1-21. Images SEM (Scanning Electron Microscope) représentant des détails de ruptures mécaniques de wire-bonding dans des applications de commutation à forts courants et tensions.. En effet par un phénomène de cascade, à chaque rupture de fil, les fils avoisinant sont soumis à un stress plus important jusqu'à la casse de la puce puis du pack complet.. 1.2.2 Le Démonstrateur de Nouvelle Technologie PEARL : L’onduleur DemoNT Comme nous l’avons introduit au début de ce paragraphe, le laboratoire PEARL par l’intermédiaire de tous ses partenaires a développé une structure 3D innovante de « l’interrupteur élémentaire ». Illustrée sur la figure 1-22, cette structure est une superposition de deux substrats métallisés dont un soin particulier a été porté sur la compatibilité entre les matériaux d’un point de vue mécanique, électrique et thermique. La première innovation de la technologie PEARL est de diminuer au maximum le nombre d’interfaces entre les matériaux. Ceci présente des avantages thermiques dans un premier lieu. Le système de refroidissement à eau glycolée circulant directement sous la céramique inférieure, choisie pour sa bonne conductivité thermique, augmente considérablement l’efficacité du refroidissement. Cette diminution d’interface présente également des avantages mécaniques. En effet le compromis sur la compatibilité des Coefficient d’Expansion Thermique (CET) des différents matériaux, qui limite les contraintes thermomécaniques, est plus simple à définir. Cette stabilité mécanique est d’autant renforcée par le type de connectique choisie : des billes ou cylindres de cuivre (les bumps) directement brasés entre les substrats et les puces en remplacement des wire-bonding. La figure 1-22 illustre l’implantation de ce type de connectiques sur l’interrupteur élémentaire de technologie PEARL. On constate que les bumps établissent le lien entre les substrats céramiques supérieur et inférieur.. - 39 -.
(40) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique. source [Ph.Lasserre, Alstom Transport]. Figure 1-22. Détails de l’interrupteur élémentaire PEARL et vue en coupe d’un bump de puissance.. De section plus importante qu’un fil d’aluminium, les bumps permettent la circulation de densité de courant plus importante et résolvent certains problèmes de fiabilité de la technologie classique énumérés plus haut. A condition toutefois de fiabiliser et de caractériser les alliages utilisés pour les brasures. Ce genre de structure 3D permet de repenser totalement le routage en compactant l’ensemble et d’envisager une intégration verticale des composants de puissance [ACA07]. D’un point de vue système, le tableau 1-II ci-dessous permet de comparer à puissance égale le poids de l’onduleur PEARL et d’un onduleur Alstom classique. TABLEAU 1-II.. COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES D’UN ONDULEUR PEARL ET ALSTOM. Onduleur PEARL. Onduleur Classique Alstom. Puissance. 1MW. 1MW. Masse. 46kg. 109kg. Refroidissement intégré à eau. Refroidissement à air forcé. Technologie de refroidissement. 1.2.3 Les besoins industriels Le PEARL a élargi ces objectifs scientifiques et techniques pour sa deuxième convention de 2005 à 2008 en visant trois besoins industriels (BI) clairement identifiés. 1.2.3 a) L’intégration avancée Le BI : intégration avancée consiste à intégrer un maximum de fonctionnalités autour de la partie puissance dans un même packaging basé sur les structures 3D PEARL développées au paragraphe 1.2.2. En dehors de l’optimisation en poids et volumes, le principal objectif est. - 40 -.
(41) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique d’évaluer la faisabilité d’intégration des parties drivers et cartes de répartition des ordres de commandes au plus près des composants de puissance. Pour les domaines ferroviaires aux calibres importants, ce BI étudie également l’intégration de systèmes d’acquisitions et de mesures en courant et en température non-intrusifs, respectivement des tores magnétiques ou des shunts de très faible résistance et des résistances thermiques (RTD) ou des thermocouples. Pour les applications de type aéronautique de plus faible puissance, le nombre de puces étant plus faible, des fonctions complètes (onduleur, redresseur, …) sont intégrées dans un seul packaging aux dimensions réduites.. La figure 1-23 illustre les dimensions en a) d’un. prototype de pack IGBT forte puissance avec commande intégrée et en b) d’un prototype d’onduleur complet moyenne puissance pour des applications aéronautiques. (a) 170x115x60 mm. Figure 1-23.. (b) 84x92x20 mm. Dimensions du prototype Commande Intégré développé pour des applications. ferroviaires à forts courants (a) et du prototype d’onduleur complet moyenne puissance pour des applications aéronautiques (b).. Ces types de structures induisent une nouvelle appréhension de la CEM comme la probabilité de subir des couplages en champs proches entre partie commande et partie puissance mais aussi des phénomènes liés à l’auto-compatibilité des composants au sein même des modules. Dans ce contexte, l’étude du rayonnement des composants de puissance est une partie importante du travail présenté dans ce mémoire. 1.2.3 b) La haute tension et la moyenne fréquence Le BI : haute tension vise la caractérisation de technologies de composants récents ainsi que des architectures hautes tensions innovantes dont nous trouverons une synthèse en [JMA08]. D’après le postulat de Boucherot, equ. 1-3, l’augmentation de la fréquence d’un transformateur autorise une importante diminution de son volume.. V = 4,44 × Bmax × N s × S × f. equ 1-3.. - 41 -.
(42) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique Avec V la tension aux bornes de l’enroulement primaire ou secondaire, Bmax la valeur maximale du champ magnétique dans le circuit magnétique, Ns le nombre de spires de l’enroulement primaire ou secondaire, S la section du circuit magnétique et f la fréquence d’alimentation du transformateur. Le tableau 1-III ci-dessous illustre les caractéristiques d’un transformateur à puissance égale en fonction de la fréquence.. TABLEAU 1-III.. CARACTERISTIQUES DES POIDS ET VOLUMES DE TRANSFORMATEUR DE PUISSANCE A DIFFERENTES FREQUENCES [MDE] Transformateur basse. Transformateur moyenne. fréquence. fréquence. Fréquence d’utilisation. 16 Hz 2/3. 5 kHz. -. Puissance. 1,5 MW. 1,5 MW. -. Masse. 5120 kg. 3700 kg. - 28 %. Volume. 7 m3. 4,4 m3. - 37 %. Rendement. 0,92. 0,96. +4%. Gain. L’utilisation de ce genre de transformateur de puissance Moyenne Fréquence (MF) impose une fréquence fondamentale élevée sur toute l’électronique de la chaîne de traction. Pour diminuer les pertes dues à l’augmentation en fréquence, des modes de commutations et des composants particuliers sont envisagés [JMA08]. Les caractéristiques de cette architecture soulèvent de nouvelles questions quant à l’impact de la CEM que nous détaillerons dans le paragraphe 1.3. 1.2.3 c) La haute température. De manière plus transversale, le dernier BI : haute température concerne les fortes contraintes thermiques imposées par l’intégration avancée et l’augmentation des puissances que nous avons détaillé auparavant. En amont, l’objectif est de répondre à la problématique de l’encapsulation des semi-conducteurs à grand gap dont on estime des températures de fonctionnement dépassant les 200°C. Les nouveaux choix technologiques se portent sur le packaging qui jusque là fonctionnait à la température de jonction maximale du silicium TjSi = 125°C. En caractérisant de manière individuelle plusieurs types de céramiques, de gels diélectriques, de connectiques et de brasures de composant, et en développant un assemblage alliant les optimums de chaque matériau les prototypes de ce BI sont optimisés pour une gamme de températures allant de 125 à 200°C.. - 42 -.
(43) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique 1.2.3 d) Conclusion sur les Besoins Industriels. Par l’intermédiaire des recherches effectuées dans les BIs, les fortes contraintes multiphysiques autour des interrupteurs de puissance ont été mises en avant. Devenant vite problématique si ces contraintes ne sont pas prises en compte, la recherche d’un « compromis » multi-physique n’est pas une mince affaire. Dans ce contexte, la simulation permet l’accès à des données le plus souvent inaccessibles par la mesure. Elle devient un outil indispensable pour le pré-design par la conception dite « virtuelle » en permettant de gérer plusieurs variables physiques. Nous allons détailler dans le paragraphe suivant les principes de cette modélisation multi-physique et multi-domaine. 1.2.4 La modélisation multi-physique et multi-domaine 1.2.4 a) La simulation mixte : Une approche fiabiliste. La simulation dite mixte est le principe de faire co-simuler différentes approches physiques sur une même plateforme logicielle. A l’origine pour le dimensionnement des composants de l’électronique, l’utilisation de ce genre de plateforme de type SPICE s’est très largement répandue dans des méthodologies de conception de systèmes électroniques. Aujourd’hui le langage VHDL-AMS, qui est en cours de standardisation (norme IEEE 1076.1), semble permettre le développement de modèles multi-domaines et multi-physiques [YHE02] basés sur la loi de Kirchhoff généralisée. Les flux entrants sont égaux au flux sortants et la somme des flux dans un système est égale à zéro. L’équation equ.1-4 décrit cette loi pour un système m.. ∑ϕ = 0 m. equ 1-4.. Ce langage permet de simuler des systèmes très complexes et variés comme la circulation sanguine dans le cœur humain ou encore les caractéristiques d’une architecture complète de véhicule hybride. Nous trouverons plusieurs exemples d’application fascinants sur [VIP]. Cependant, sur les composants de l’électronique de puissance où les répartitions volumiques sont très complexes à appréhender, ce langage n’est pas encore adapté. On opte plutôt pour des logiciels de simulation 3D dits métiers pour chaque spécialité. Nous pouvons citer par exemple les logiciels métiers comme Maxwell® pour la modélisation électromagnétique, Ansys® pour la modélisation mécanique et Fluent® pour la modélisation thermique.. - 43 -.
(44) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique La modélisation multi-domaine et multi-physique est une partie fondamentale dans le développement et la validation des nouvelles technologies. Le laboratoire PEARL dispose de nombreux outils métiers de modélisation électromagnétique, thermique et mécanique et développe une plateforme logicielle qui permet de modéliser les interactions entre chaque discipline. Ces études sont basées sur une représentation en trois dimensions du composant, incluant son packaging et ses connectiques, ou du système complet à modéliser. Plusieurs exemples sont illustrés sur les figures 1-19, 1-20 et 1-22. Quelques exemples d’applications de simulation multi-physique ainsi que des conclusions d’optimisations autour du démonstrateur NT de PEARL seront discutés dans ce paragraphe. La figure 1-24 représente la simulation des contraintes thermiques sur chaque puce pour une phase d’accélération brutale et illustre la tendance des déformations mécaniques qui en résultent. A partir de cette étude thermomécanique on détermine que les points de stress maximum concernent les connectiques de type bump. Virtuellement, on modifie et optimise le placement des bumps sur le modèle 3D et on calcule la durée de vie de chaque bump jusqu'à trouver la disposition diminuant au maximum ces contraintes, c’est le prototypage virtuel [PSO07].. Figure 1-24. Simulation des contraintes thermique (à gauche) et mécanique (à droite) sur un interrupteur élémentaire PEARL lors d’une phase d’accélération.. 1.2.4 b) Etude et analyse électromagnétique. Nous. trouverons. une. synthèse. des. outils. existants. pour. la. modélisation. électromagnétique dans [GLO05] et des méthodes numériques dans le chapitre III de ce mémoire. La connectique de type « busbar » est couramment utilisée dans des applications de l’électronique de puissance au vu de son inductance équivalente très faible en comparaison à un câble cylindrique de même calibre en tension et courant. Un busbar, dont nous trouverons une vue en coupe sur la figure 1-25, est constitué de deux plaques de cuivre en vis-à-vis - 44 -.
(45) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique isolées par une plaque de permittivité élevée pour tenir les contraintes électriques. Son design et les valeurs de courant le traversant varient fortement en fonction du type de composants à connecter. La figure 1-25 illustre le champ magnétique autour des connectiques de puissance de type busbar du demoNT PEARL sous forme de vecteurs ainsi que la valeur de ce champ magnétique B en fonction de la distance pour différentes valeurs de courant I.. Figure 1-25. Vecteurs de champ magnétique B autour d’une connectique de puissance (à gauche) et graphique du champ magnétique suivant la normale au busbar en fonction de la distance pour différentes valeurs de courant I.. La principale raison de casse de ce genre de connectique est due aux efforts électrodynamiques lors de la circulation d’un courant très élevé, typiquement des courants de court-circuit. La figure 1-26 exprime ce genre d’efforts sous forme de force électromagnétique sur chaque face du busbar. Ces forces varient selon la forme et la taille du conducteur ainsi que de la valeur de courant le traversant [JTH93] et il est important d’estimer la valeur de courant par laquelle le cuivre atteindra sa limite élastique.. Figure 1-26. Représentation des forces électromagnétiques et résultats simulés sur chaque face de la connectique de puissance.. - 45 -.
(46) Chapitre I : Les composants de puissance dans le transport électrique Un exemple d’étude électrodynamique est détaillé sur le tableau 1-IV. Ces résultats sont issus d’une étude multi-domaine sur un design spécifique de connectique. A partir de la géométrie 3D, la modélisation électromagnétique a permis de définir les forces électrodynamiques sur chaque face en fonction du courant traversant la connectique. Ces résultats sont ensuite utilisés en données d’entrées pour la modélisation du comportement mécanique. Cette dernière étape permet de calculer les contraintes mécaniques maximales sur chaque face ainsi que les dilatations du cuivre dues à la circulation de courant. Une synthèse de ces résultats est présentée sur le tableau ci-dessous. TABLEAU 1-IV.. CALCULS MECANIQUES EN FONCTION DES FORCES ELECTROMAGNETIQUES ET DU COURANT DE COURT-CIRCUIT. Dilatation du cuivre. Contrainte Mécanique. [mm]. [Mpa]. 17,18. 5,17.10-3. 12,3. 140. 841,58. 0,253. 602. 300. 3864. 1,17. 2770. Courant [kA]. Force EM [N]. 20. Grace à ce genre de méthodologie de modélisation multi-domaine le lien entre plusieurs disciplines peut-être pris en compte dans de nombreux cas. Dans la suite nous nous consacrerons. plus. particulièrement. à. la. modélisation. et. la. simulation. mixte. électromagnétique et électrique pour prendre en compte l’impact de la CEM sur l’étude fonctionnelle des composants et systèmes de puissance (voir chapitre III).. 1.3 Une nouvelle approche de la Compatibilité Electromagnétique 1.3.1 Introduction à la CEM dans les systèmes embarqués. Initialement, la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) des circuits apparait dans les années soixante dix avec l’utilisation des composants intégrés logiques. Les tensions d’alimentation devenant de plus en plus faibles pour diminuer la puissance consommée, cette famille de composants devient de plus en plus fragile face à des parasites électriques de type chocs foudres ou décharges électrostatiques (ESD). Les conséquences sur ces composants vont de la simple mise en erreur jusqu’à la casse du composant. Parallèlement, suite au développement de l’électronique de puissance dans le domaine ferroviaire, on remarque de nombreuses perturbations que l’on associe à l’augmentation de la pollution électromagnétique autour de ce type d’architectures. Plusieurs types de protections électromagnétiques sont alors. - 46 -.
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