Etude théorique et expérimentale du refroidissement diphasique à pompage capillaire de convertisseurs de puissance à haute densité de flux de chaleur pour la traction ferroviaire

Pour l'obtention du Grade de

Do teur de l'Université de Poitiers

É ole Nationale Supérieure de Mé anique et d'Aérote hnique

&

Fa ulté des s ien es fondamentales et appliquées

( Diplme national- arrêté du7 août 2006 )

É ole Do torale :S ien esPour l'Ingénieur &Aéronautique

Se teur deRe her he :Énergie, Thermique,Combustion

Présentéepar :

David Lossouarn

*******************************

Étude théorique et expérimentale du

refroidissement diphasique à pompage apillaire

de onvertisseurs de puissan e à haute densité

de ux de haleur pour la tra tion ferroviaire

*******************************

Dire teur de Thèse :Yves Bertin

*******************************

Soutenue le 15 Janvier 2008

*******************************

 JURY 

Vin ent Platel Maître de Conféren es HDR,UPPA Rapporteur

LounèsTadrist Professeur,Université de Proven e Rapporteur

YvesBertin Maître de Conféren es HDR,LET ENSMA Examinateur

DanielPetit Professeur,LET ENSMA Examinateur

Jo elynBonjour Professeur,INSA de Lyon Examinateur

Mi helMermet-Guyennet ResponsableR&D Alstom,LaboratoirePEARL Examinateur

Alain Alexandre Maître de Conféren es retraité,LET ENSMA Invité

J

e tiens à remer ier toutes les personnes qui ont ontribué dire tement et indire tement

par leur travail ou leur soutien à l'aboutissement de e projet. Je remer ie en premier

la so iété ALSTOM Transport de m'avoir fait onan e lors de ma andidature à e poste

d'ingénieurdo torantsurunsujetnovateur.Mer ienparti ulieràMi helMermet-Guyennet,

responsable R&DALSTOM.

Je tiens à remer ier Daniel Petit de m'avoir a ueilli au sein du Laboratoire d'Études

Thermiques de Poitiers pour ee tuermes travauxde thèse.

Je remer ie haleureusement l'équipe d'en adrement du LET qui a suivie de prêt ou de

loin le heminement de e travail; Cyril Romestant, Vin ent Ayel et Yves Bertin. J'ai

une pensée parti ulière pour Alain Alexandre, initiateurde e projet, qui m'a onvain u

d'y parti iperet a suy insuer tout son dynamisme et ses onnaissan es avant de prendre

sa retraite.

Mer i aussi à toute l'équipe te hnique du laboratoire pour toute l'aide fournie durant

l'élaborationdes dispositifs expérimentaux, durant lesdémar hes administratives ouen ore

les débogages informatiques.

Je remer ie également Leonid Vasiliev du Luikov Heat and Mass Transfer Institute

de Minsk pour son aide on ernant les développements de LHP. Un grand mer i à Olga

Filatovapour lamontagne d'essaisqu'elle aréalisés sur lathématique ux ritique.Mer i

pour sabonnehumeuret lapointede ulture biélorusse qu'elle a pu nous faire dé ouvrir.

Une thèse, 'est bien sûr aussi une grande aventure humaine et parmi es humains, des

thésards. Alors omment passer à la suite sans évoquer eux que j'ai roisé sur le hemin?

Lesmomentsdesolitudeetdedé ouragementontgrâ eàleurs onseilsetleursoutienpermis

de ne jamais abandonner. Les premiers interlo uteurs furent les an êtres néo-do teurs qui

ontribuèrent pour ertains d'entre eux à ma formation d'ingénieur et pour d'autres à ma

formation d'amateur du houblon et des tanins; Stéphanie Derouineau, Ja ques Salat,

Manuel Girault, Julien Robertet Stéphane Gaillot.

Viennentensuiteles olo atairesdebureauquim'ont(etquej'ai)supportéspendantmon

séjour à Poitiers.La galanterie veut queje ommen epar Clef Ahlem, lavigiedu bureau, la

réatri e de pensées, ladynamiquepulsatoire... Jene roispas trahirl'avisde mes ompères

en dé larantquesabonnehumeur,safa ilitéàdis uter etsupporternos rigoladesma histes

a nettement ontribué à la bonne ambian e du bureau. Comment passer à té du grand

sage, le pilier fondateur de notre équipage, dis iple du Maître Manu j'ai nommé Olivier.

Rarement nos divagations et nombreux raquages n'ont réussi à le détourner de sa quête

numériquede rédu tion etd'inversion.Je leféli itepour son ourage etsadéterminationet

bien sûr pour son do torat. Enn ette embar ation n'aurait pas été e qu'elle fut sans le

se ondreprésentantbreton àtendan ejaponisante;Sieur Ronan.Le hâtelainatoujourssu

nous re evoir ommeil sedoit autourd'un apéro ou d'un barbe ue...

L'équipedethésards duLET 'étaitaussiDamian,notre apitaineirlando-toulousainqui

su nousmenerà... de très bons momentspartagésautour du sport. C'étaitaussiAntoine,la

for etranquillequisunousfairerêveraufootball.Sansoublierlesnovi eslan ésdepuispeu

Cette thèse a aussi fait l'objet d'un trop bref (mais intense) passage dans le sud-ouest,

aulaboratoire PEARL. J'en remer ie tout le personnel (do torants etingénieurs) ave une

pensée parti ulière pour les ompagnons de marguerite; Philou, Dudu he et Grand Cla '.

Etpuislesdo torants;Fan h',Tony, Manu,Bertrand,Jean-Lu ,Sylvain, Jérémy etJérémy.

Mais aussi Christophe, Karim, Alberto, Sébastien, Bertrand, José, Céline, Sélim, Pierre,

Manu, Lauren e, Mi hel. Mer i à tous pour ette expérien ehors du ommun!

Enn, je réitère mes remer iements pour mes parents qui m'ont permis de poursuivre

Introdu tion générale 3

Chapitre 1

Contexte et obje tif industriels

1.1 Thermique et tra tionferroviaireéle trique . . . 9

1.1.1 La tra tionéle trique . . . 9

1.1.2 Contrainte thermique . . . 12

1.2 Te hniques a tuelles de refroidissement . . . 14

1.2.1 Les systèmes monophasiques . . . 14

1.2.2 Les systèmes diphasiques . . . 16

1.2.3 Synthèse . . . 19

1.3 Axes de re her he et développements PEARL . . . 20

1.3.1 Le laboratoire . . . 20 1.3.2 La te hnologie a tuelle . . . 20 1.3.3 L'intégration . . . 21 1.3.4 Le refroidissement statique . . . 23 1.4 Con lusions . . . 24 Chapitre 2 Synthèse bibliographique sur les bou les diphasiques 2.1 Prin ipes physiques . . . 29

2.1.2 Changement de phase . . . 32

2.2 Bou les diphasiques apillaires lassiques . . . 34

2.2.1 Bou le à réservoirdé ouplé (CPL). . . 34

2.2.2 Bou le à réservoir ouplé (LHP) . . . 39

2.2.3 La apa ité de transport . . . 41

2.2.4 Lesin ondensables ouNCG (NonCondensable Gaz) . . . 42

2.2.5 Bou les à éléments multiples . . . 43

2.2.6 Bilan omparatifetpremiers essais . . . 44

2.3 Unenouvellebou le :la GCPL . . . 45

2.4 Con lusions . . . 46

Chapitre 3 Transferts diphasiques en milieux poreux soumis à fortes densités de ux 3.1 Constatations . . . 49

3.2 Des riptiondes essais . . . 49

3.2.1 Obje tif . . . 49

3.2.2 Ar hite ture du montage . . . 50

3.2.3 Type de mesures . . . 52

3.2.4 Observations etmesures brutes . . . 56

3.3 Modèle et te hniques inverses . . . 58

3.3.1 Équations de transport . . . 59

3.3.2 Modèle dire t . . . 61

3.3.3 Évaluationdes ouplages . . . 62

3.3.4 Inversion du problème . . . 66

3.4 Analyse des résultats . . . 70

3.4.1 Identi ationde la ondu tivité ee tive (

p0

). . . 70

3.4.2 Identi ationdes paramètresde hangement de phase (

p1

,

p2

,

p3

) . . 70

3.4.3 Dis ussion des résultats . . . 71

3.5 Con lusion etperspe tives . . . 76

Chapitre 4 Présentation des dispositifs expérimentaux de bou les diphasiques 4.1 Présentation du démonstrateur EHPCPLIP1.0 . . . 81

4.1.1 Des ription . . . 81

4.2.1 Des ription générale . . . 84

4.2.2 Des ription détaillée . . . 86

4.2.3 Instrumentation . . . 88

4.3 Campagne d'essais de faisabilité CPLIP1.0 . . . 92

4.3.1 Déroulement des essais . . . 92

4.3.2 Résultats . . . 93

4.3.3 Dis ussion . . . 97

4.4 Con lusion . . . 98

Chapitre 5 Étude expérimentale et modélisation de bou le thermo apillaire 5.1 Mode opératoire. . . 100 5.2 Modèle CPLIP1.1 . . . 100 5.2.1 Stru ture et hypothèses . . . 100 5.2.2 Le réservoir . . . 101 5.2.3 Couplage ÉvaporateurRéservoir . . . 105 5.2.4 Le ondenseur . . . 106 5.2.5 Les onduites . . . 108 5.2.6 Conditions initiales . . . 109

5.3 Mesures expérimentales sur CPLIP1.1. . . 110

5.3.1 Conditionnementdu réservoir . . . 110

5.3.2 Régime transitoire . . . 111

5.3.3 Régime stationnairesimple . . . 114

5.3.4 Régime stationnaire ontraint . . . 125

5.4 Con lusion . . . 129

Con lusion générale 131 Annexes Annexe A Propriétés thermophysiques des uides A.1 Eau . . . 134

A.2 Méthanol . . . 137

Annexe B

Modèle dire t de alodu

B.1 Méthode nodale . . . 142

B.2 Stru ture du modèle . . . 143

Annexe C

Mouillabilité et oxydation himique

C.1 Tests de mouillabilité . . . 148 C.2 Traitementde surfa e . . . 148 Annexe D Instrumentation de CPLIP D.1 Instrumentation de CPLIP1.0 . . . 152 D.2 Instrumentation de CPLIP1.1 . . . 152 Annexe E

Méthode d'étalonnage des paramètres thermosensibles

E.1 Prin ipe . . . 156

E.2 Étalonnage . . . 156

Annexe F

Détails du modèle CPLIP1.1

F.1 Des riptionde laméthode FET . . . 162

F.2 Leréservoir . . . 162

F.3 Détaildes sous-modèles de labou le . . . 165

Bibliographie 169

Table des gures 173

Liste des tableaux 177

A

Se tion de passage ousurfa e d'é hange

m

2

cp

Chaleur massiqueà pression onstante

J.kg

−1

_.K

−1

d

Diamètre de grain pour des poreux frittés

m

Dh

Diamètre hydraulique

m

e

Épaisseur

m

E

Matri e de Fis her

−

G

Condu tan e thermique

W.K

−1

g

A élération de la pesanteur

m.s

−2

h

Enthalpie massique

J.kg

−1

Coe ient d'é hange thermique

W.m

−2

_.K

−1

k

Raideur des ressorts de serrage

N.m

−1

J

Fon tionnelle ouobje tifsomme quadratique

K

2

l

Longueur de onduite oud'é hange

m

ℓ

Allongement de ressort

m

ℓv

Enthalpie massique de vaporisation

J.kg

−1

M

Masse molaire

kg.mol

−1

˙

m

Débit massique

kg.s

−1

N

Matri e du Hessien

K

4

_.m

2

_.W

−2

p

Ve teur paramètres

−

p

Pression

Pa

˙

Q

Flux de haleur

W

˙

Qv

Débit volumique

m

3

_.h

−1

˙q

Densité surfa ique de uxde haleur

W.m

−2

r

Rayon de ourbure du ménisque

m

rg

Constante universelle massiquedes gaz parfaits

J.kg

−1

_.K

−1

R

Constante universelle molairedes gaz parfaits

J.mol

−1

_.K

−1

Re

Nombre de Reynolds

−

S

Matri e des sensibilités

K

2

_.m.W

−1

t

Temps

s

T

Température

K

W

Quantité de travail

J

x

Titre vapeur

−

Positionsur l'axedes abs isses

m

Symboles gre s

α

Coe ient d'évaporation oude ondensation

−

Titre vapeur

−

Angle d'in linaison de bou le

−

β

Longueur sous-refroidie au ondenseur

m

Coe ient de dilatation

K

−1

ǫ

Ve teurerreur ouvariationinnitésimale

K

Émissivité

−

ε

Porosité

−

φ

Flux de haleurdire tionnel sur un n÷ud

W

η

Longueur diphasique au ondenseur

m

κ

Perméabilité

m

2

λ

Condu tivité thermique

W.m

−1

_.K

−1

µ

Vis osité dynamique

Pa.s

θ

Angle d'a ro hage de ligne triple

rad

ρ

Masse volumique

kg.m

−3

Coe ient de pertes de harge

−

σ

Tension super ielle

N.m

−1

Ω

Volume

m

3

Indi es 0 instant initial amb ambiante b bas (réservoir) ondenseur l onduite liquide r ritique v onduite vapeur f uide h haut (réservoir) l liquide r réservoir sat saturation v vapeur * interfa e de vaporisation

L

e hampd'appli ationdel'éle troniquedepuissan es'étend dejourenjourave

l'émer-gen e des haînes de tra tion et a tionneurs dits tout éle triques dans l'automobile ou

l'avionique par exemple. La part de puissan e éle trique embarquée est en onstante

aug-mentation à mesure que nous développons des transports de moins en moins polluants.Or

l'augmentationde puissan e disponiblevané essairementde pair ave ladissipationde

ha-leur au sein de es systèmes. Le transport ferroviaire français a, depuis plusieurs dé ennies

déjà, pris leparti de proterdes avantages de la motorisationéle trique. La haînede

tra -tion  i.e. l'ensemble des éléments qui parti ipent à la transformation du signal éle trique

 doit être en mesure de fournir un signal variableen amplitude et en fréquen e à tout

ins-tant pour des moteurs de forte puissan e. Ces fortes ontraintes de servi e onduisent à de

fortes ontraintes thermiques; du fait de l'importante miniaturisationdes omposants

éle -troniques,lesdensités de uxde haleurdissipéespeuventdésormais atteindre200 W. m

−2

.

Répartir etéva uer de telles on entrations de haleur représente un enjeu onsidérable.

Cha un est aujourd'huiaufaitdes appli ationsdire tes oertes par leste hnologies

spa-tialestellesquelestélé ommuni ations,lamétéorologieoulanavigationassistéeparsatellite

omme le GPS. Mais les milliardsd'euros investis dans ette onquête ont permis de

déve-lopper des te hnologies toujours plus innovantes beau oup moins onnues du grand publi .

Brendle et al.[BCdT86℄ dé rivent un ensemble de te hnologiesinitialementdéveloppées par

l'ESAquionteu desretombéesoudesadaptationsàd'autresse teurs d'a tivité.C'est

pré i-sément e qui semble se prolerpour lesbou les diphasiques quifont l'objetde e mémoire.

Après une présentation du ontexte industrieletdes enjeux qu'y représentelathermique, le

premier hapitre de e mémoire dresse un panorama des systèmes de refroidissement

utili-sés jusqu'alors dans le ferroviaire,pour on lure sur les raisons quijustientaujourd'huide

ALSTOM Transport est un a teur de longue date du segment de la tra tion éle trique

et ontribue ày apporterde l'innovation. Pour menerà bien ledéveloppement de nouveaux

systèmes de refroidissement,son attention s'est don portée sur une te hnologie diphasique

novatri e. Par le passé, les transferts de haleur par hangement de phase liquide-vapeur

ont déjà fait l'objet d'une exploitation industrielle pour des appli ations de moyenne et

forte puissan e : uve diphasique remplie de uide diéle trique, ou thermosiphons ouplés

méthanol-eau dé rits dans le hapitre 1. Ceux- i présentent en eet l'énorme avantage de

transférer la haleur de façon passive, sans mouvementmé anique oûteux en maintenan e.

Aujourd'hui, ettepassivitéest largementmise en avantpour exploiter e type de systèmes.

Ce hapitrefait égalementl'objetde ladénition du ahierdes harges qui en dé oule.

ALSTOM souhaite ependant aller plus loin en s'aran hissant des eets de la gravité

fortement ontraignants dans la mise en ÷uvre de es te hnologies. Cela est rendu possible

par l'exploitation de bou les diphasiques à pompage apillaire. A la manière d'un simple

alodu , un uide aloporteur pur à l'état de saturation extrait de la haleur d'une sour e

haude lors de son évaporation, puis la restitue à une sour e froide (radiateur) lors de sa

ondensation.Leretourdu ondensatdansun alodu sefaitpar apillaritéougravité.Dans

unebou lethermo apillaire,lesphasesliquideetvapeurévoluentdansdes onduitesséparées

et la présen e de matériau apillaire est limitée à l'évaporateur. La distan e par ourue par

l'é oulementdans e matériauresterelativementfaibleetpermetunerédu tion onsidérable

du rayon des pores sans impa ter les pertes de harge de façon signi ative.C'est pourquoi

le saut de pression apillaire que délivre une bou le peut permettre de lutter ontre la

gravité et de disposer de ongurations relatives évaporateur ondenseur plus souples. Ces

onsidérationssont abordées dans un se ond hapitre bibliographiquequ'est le hapitre2.

L'introdu tiond'unepression apillairesous-entend l'utilisationd'un milieuporeux dont

les ara téristiques permettent de gérer la ourbure des ménisques d'une interfa e. Or il a

souvent été montré que milieu poreux etforte densité de ux présentent des

in ompatibili-tés. Le hapitre3s'intéresseàuneétudeapprofondie menéedurant e projet dethèse visant

à investiguer l'inuen e de paramètres tels que la température de saturation du uide ou

la géométrie du milieu poreux sur les densités de ux de haleur qu'il peut transférer. Ce

hapitre fait également l'objet de développements numériques visant à analyser au mieux

les résultatsexpérimentaux. Pour e faire,un modèle nodalsimple simule le omportement

thermique du alodu puis l'appli ation d'une méthode d'inversion permet d'identier des

paramètres essentiels du modèle, tels que la ondu tivité thermique ee tive et des

oe- ients d'é hange. Cette démar he donne a ès à la densité de ux de haleur appliquée sur

lematériau poreux testé lors d'un essai.

Ces éléments d'analyse sont en relation dire te ave le omportement des

démonstra-teurs d'un nouveau type de bou le présentés dans les hapitres 4 et 5.Le premierprésente

tout d'abord les diérentes versions fabriquées en réponse au ahier des harges proposé,

l'instrumentation développée et les premiers essais de faisabilité réalisés. Comme plusieurs

démonstrateurs ontpu voirlejourdurantleprojet, e hapitre4explique en détailquelsen

ont été leur justi ation et met un a ent sur la parti ularité de ha un. L'un d'entre eux

a faitl'objet d'investigations approfondies dans un sou i de ompréhension des phénomènes

diphasiques essentiels au bon déroulement de l'appli ation visée. Le dernier hapitre

distin tssurlagammedepuissan e(05,5kW)oùles ara téristiquesdel'évaporateurjouent

un rle prépondérant. Ces tests montrent également à quel point la puissan e thermique

transférée par le système est indépendante des onditions environnementales de la bou le.

Malgrédes onditionsd'essaisassezsévères,stabilitéetabilitéderégulationentempérature

restentmajoritairementderigueurlàoùl'on s'attendàdes fon tionnementslimitésave des

systèmes lassiques de type CPL ou LHP. Ce dernier hapitre justie don quels sont les

avantages exploités de ha un d'eux pour les asso ier dans e nouveau prin ipe de bou le

Contexte et objectif industriels

L

e 5 juillet 1974, Zébulon atteint 306

km.h

−1

et la Fran e entre ave lui dans l'ère de la

grande vitesse tout éle trique. La te hnologie qui se a he derrière e doux sobriquet

renferme tout de même pour l'époque un ertain nombre d'innovations : les moteurs

éle -triques suspendus pour alléger les bogies, les pantographes à deux étages mieux adaptés à

la grande vitesse ou en ore un nouveau système de freinage. Le TGV001 avait fait mieux

en ore deuxans auparavantave 307

km.h

−1

etmême318

km.h

−1

n 1972, maislatra tion

est alors majoritairement thermique(ave le turbotrain) et l'on estime la onsommationen

arburant d'une rame à 400 grammespar kWh fournipour atteindre es vitesses. De telles

dépenses ne sontpas sérieusement envisageablesalors quele prix du baril de pétrole monte

en è he. Lepremier ho pétrolierimposealorslatra tionéle trique ommeunealternative

satisfaisanteaux besoins de la grandevitesse et leturbotrainest abandonnépour lagrande

vitesse. La te hnologie gardenéanmoins de l'intérêt, àdes vitesses modérées, pour desservir

le réseau se ondaire quin'est pas alimentéen éle tri ité.

Pour de nombreuses raisons environnementales et énergétiques, l'avenir s'ins rit

aujour-d'hui en ore dans la tra tion éle trique, e qui signie obligatoirement la onversion d'un

signal réalisée par de l'éle tronique de puissan e. Son a tivité dissipe né essairement de la

haleur,qui,siellen'estpaséva uée, onduitàunvieillissementprématurévoireàsa

destru -tion. Ce hapitrepropose don d'explorer lesthématiques ette hnologiesde refroidissement

développées majoritairement par l'industrie ferroviaire pour les mettre en relation ave les

besoinsetattentes a tuelsde latra tionéle trique. Cela permetnotammentde omprendre

te hnologies. Celles- i né essitent de repenser en grande partie la on eption des modules

utilisés dans une haîne de tra tion. C'est en réalisant une intégration avan ée que l'on

peut alors réduire lesvolume etmasse des haînes de tra tionpour assurerplus de

modula-rité. En e qui on erne le dispositif de refroidissement, es nouvelles ontraintes mènent à

un nouveau ahierdes harges détailléà lan de e hapitre.

Ce premier hapitre bibliographique, majoritairement axé sur le ontexte de l'étude et

des aspe ts te hnologiques de refroidissement, adopte une position résolument industrielle

du problème. Des études bibliographiques omplémentaires apparaissent dans la suite de

e mémoire lorsque le besoin se ressent de fo aliser l'attention du le teur sur des prin ipes

1.1 Thermique et tra tion ferroviaire éle trique

1.1.1 La tra tion éle trique

Dès 1854 les premières appli ations de la tra tion éle trique font leur apparition hez

Siemens ave le moteur à ourant ontinu. C'est le moteur le mieux adapté aux besoins

du hemin de fer : fort ouple au démarrage et grande plage de vitesse utilisable. Tout

le problème onsiste à l'alimenter ar déjà la produ tion d'énergie s'ee tue sous tension

alternative, impossible à sto ker. C'est dans les années 1970 que les moteurs asyn hrones

puis syn hrones voient leur essor ave l'avènement de l'éle tronique quipermetd'en assurer

une ommande pré ise.

Moinspar souhaitde préservationde l'environnementqueparsou id'é onomies,la

tra -tion éle trique ommen e à être envisagée sérieusement lors du premier ho pétrolier en

1973. C'est alors tout un environnement qui s'en trouve révolutionné, non seulement pour

les usagers mais surtout d'un point de vue te hnique; ette modi ation de motorisation

va rapidement entraîner l'innovation dans toutes les parties du train (le montage des

mo-teurs,latransmission,lefreinage,lespantographes...). Dèsson origine, 'est don latra tion

éle trique etplus pré isément lagrande vitesse qui pousse lemonde ferroviaireà innover.

La grande vitesse

Avant l'arrivée du TGV, te hnologie aujourd'hui répandue à travers le monde, bien des

solutions te hniques furent imaginées, mais à ertaines la han e n'a pas souri omme au

TGV. C'est parexemple le asde l'aérotrain de l'ingénieurJean Bertindontlesvestigesdes

premiersessaisde 1969restenten orevisibles lelongdelalignea tuelleParis-Orléans.Cette

solutiontrès originalerepose sur late hniquedu oussind'air quisupprimele onta t

roue-railetparlamêmeo asionlesfortes ontraintesqu'ilentraîne.Lapropulsionestassuréepar

un turboréa teur situé à l'arrière du véhi ule qui permit d'atteindre 250 km.h

−1

en vitesse

de pointe. Malheureusement la mise en pla e du système né essite une infrastru ture très

lourdelesvoiessontdegigantesquesman honsdebétonetl'utilisationd'unemotorisation

thermique ne onvient pas à la onjon ture du moment.

Uneautre te hnologieinnovantefut elle delasustentation magnétique(ou Maglev pour

Magneti Levitation)qui détient le re ord de vitesse (581 km.h

−1

) pour un engin terrestre

guidé. Des bobines ondu tri es sont pla ées dans le train et des éle tro-aimants sont

pla- és le long de la voie. Ainsi le dépla ement du train induit un ourant dans la voie, dont

la for e de Lapla e fait léviter elui- i, assurant ainsi un mouvement sans onta t dire t.

Cependant e dépla ement rée une traînée éle tromagnétique très forte qui engendre une

lourde onsommationd'énergie. Là en ore ledéveloppement de la te hnologiené essite une

lourde infrastru ture, mais les études sur le sujet sont toujours d'a tualité notamment au

Japon.

LeJaponfutégalementparmi lespremiersàdévelopper letrainà grandevitesse sur rail

ave leShinkansen,qui ir uledepuis1964.Leprin ipeestidentiqueà eluiduTGVfrançais:

des lignes dédiées à la grande vitesse sont onstruites hors des villes mais la te hnologie

roue-rail permet aussi d'emprunter le réseau existant pour a éder aux gares entrales. Ce

détail illustre toute la exibilité du on ept TGV qui va permettre de le démo ratiser très

lients du onstru teur onduit à multiplier les innovations et le TGV reste le leader de

la grande vitesse mondiale sur rail. Le 18 mai 1990, il est le premier à dépasser la barre

symbolique des 500 km.h

−1

ave 515,3 km.h

−1

.

Plus ré emment, la rame V150 est la première à aller au-delà de 150 m.s

−1

ave 574,8

km.h

−1

le 3 avril 2007. Cette rame parti ulière est omposée en partie d'une motorisation

sous- aisse laissantprésager du futur projet de grandevitesse, l'AGV(Automotri e Grande

Vitesse). Elleest aussi équipée d'une multitudede apteurs quiréalisentdes mesures

essen-tielles à des vitesses jamais atteintes en ore. On le voit, toutes es te hnologies entraînent

des innovations remarquables etsouvent dé isives pour l'avenir de la tra tion.Lasuite

pro-pose de détailler l'ar hite ture lassique d'une haîne de tra tionéle trique qui aujourd'hui

 mêmesur des motorisationsthermiques est l'élémentprin ipal de tra tion.

Prin ipes

Lamorphologiede la haîne detra tionéle triqueprésentée engure1.1 reprend

l'ar hi-te tureren ontrée hezlaplupartdes onstru teurs.Ellereposesurplusieurs sous-ensembles

qui ont pour tâ he de onvertir le signal éle trique disponible à la aténaire an de piloter

les moteurs de tra tion. Le premier d'entre eux se ompose du pantographe et du

disjon -teur souvent implantés en toit. Letransformateur adaptele signal haute tensionau voltage

d'entrée du redresseur. Ce dernier fournit à l'onduleur, par l'intermédiaire du bus DC, un

signal ontinu traité par l'onduleur an de générer par Modulationde Largeur d'Impulsion

(MLI)unsignaltriphaséquialimentelaplupartdutempsunmoteurasyn hrone.Leha heur

adapteleniveaudetensiondubus ontinupour onvertir,dans ertainesappli ations,

l'éner-gieéle trique de freinage en haleur dissipée par un rhéostat dans l'environnement.Cha un

de es éléments reposent pour la plupart sur l'utilisation de omposants semi- ondu teurs

dontlerleestdemodulerlesignaléle triqueparunesu essiond'étatspassantsoubloqués.

Lepassage de l'un à l'autresenomme ommutation.Cette fon tionpeut être réaliséepar le

semi- ondu teur leplus simple qu'est la jon tion PN. PSfrag repla ements Captation Prote tion Conversion Conversion éle trique mé anique Pantographe Disjon teur Transformateur Redresseur Onduleur Ha heur Rhéostat Moteur

Figure1.1  Éléments onstitutifsd'une haîne de tra tion

Les matériaux tels le sili ium ou le germanium sont atypiques puisque partiellement

ondu teurs omparés aux métaux lassiques. Une fois dopésen éle trons d'une part (Zone

attribué. Le dopage rée un hamp éle trostatique

E0

dirigé de N vers P; une barrière de potentiel empê he alors le matériau de onduire le ourant [SBL04℄. Si l'on applique une

tension positiveà ses bornes dans lesens PN, le hamp réé

e

s'oppose à

E0

et favorise la diusion des harges entre NetP:le ourant s'établitaux bornesdu diple.L'inversiondes

polaritésdu générateur ampliele hamp

E0

etbloquelepassage du ourant.L'assemblage desdeuxzoness'appelleunejon tionPN.Lorsqu'elleest onne téeendire telleestpassante

ave une très faible résistan e, en inverse elleest bloquante ave une très grande résistan e

interne: 'est une diode.

Les états bloqué oupassant de et élément très simple sont ependant onditionnés par

le sensdu ourantqui lestraverse. Lesappli ations omplexesde l'éle troniqueexigent plus

de exibilité et surtout une ommutation moins dépendante du ourant. C'est pourquoi

les développements de semi- ondu teurs se sont rapidement orientés vers des omposants

ommandés.Ainsi,endiversiantlesdopages etlesjon tions,ilestpossibled'allerplus loin.

Le thyristor, par exemple,est un omposantà 3jon tions :PNNPPN. Commeladiode il

est omposé d'une anode, d'une athode et est asymétrique en tension. Sa parti ularitéest

in arnéeparune ommandelagâ hette.Sonfon tionnementestniplusnimoins eluid'une

diode ommandée. Pour qu'il soit passant il faut réunir simultanément les deux onditions

suivantes :

 Une tension

Vak

positive entre anode et athode;  Une impulsionde ourant dans la gâ hette.

Il devient bloquant dès lorsque le ourant le traversant s'annule. Par rapport à une diode,

l'instantoù ildevient passant peut ainsi être retardé.

Prenonsl'exempled'unpontredresseursimple onstituédedeuxthyristorsetdeuxdiodes

illustré en gure 1.2. Son obje tif est de hangerla valeur moyenne d'un signal monophasé.

Dans le as oùl'on ommande le dé len hementdes thyristors par l'intermédiairede l'angle

α

nomméretardàl'amorçage,lagestionde la ommutationpermetde maîtriserlavaleurde la tension de sortie. Durant l'alternan e positive du signal

v

, le ourant est onduit par les omposants Th

1

et D

2

; le signal en sortie est transmis tel quel au détail près que pendant la portion

α

durant laquelle le thyristor Th

1

est bloqué, la tension

u

reste nulle. Entre les instants

T /2

et

T

, le signal d'entrée est négatif; le ourant est alors onduit par Th

2

et D

1

. Du point de vue de la harge

u

, le signal transmis est positif et identique à elui de l'alternan epré édente. De ettefaçon latensionmoyenne

u0

que reçoit elle- iest modulée par

α

selon l'équation (1.1). Cette tension peut, par exemple, piloter la vitesse de rotation d'un moteur à ourant ontinu.

u0

=

vm

π

(1 + cos α)

(1.1)

Cet exemple simple permet de omprendre omment la ommande de la ommutation

d'un omposant permet de moduler l'amplitude d'un signal. Ave des omposants et

mon-tages plus omplexes, il est également possible d'en hanger la fréquen e. C'est le as de la

MLI (ModulationàLargeurd'Impulsion) qui,àpartird'unsignal ontinu,peut générer une

su ession d'impulsionspermettant de onstituer un signalalternatif quasisinusoïdal.

Thyristors GTO, transistors bipolaires et MOSFET onstituent d'autres nuan es

d'em-pilage de semi- ondu teurs que Séguier et al. [SBL04℄ dé rivent en détail. Dans les années

1980,apparaîtl'InsulatedGate BipolarTransistor (IGBT)qui onstitueuneévolutionparmi

les transistors bipolaires [Fer05℄. D'un point de vue fon tionnel très général, on peut

PSfragrepla ements a k g Th

1

Th

2

D

1

D

2

v

u

3.14

_{T (r d)}

6.28

9.42

V

U

ω

PSfrag repla ements a k g Th Th D D

α

α

Figure 1.2  Pont redresseur omposé de deux thyristors et deux diodes  (a) anode, (k)

athode, (g) grille

des onduleurs et redresseurs de systèmes de tra tion est aujourd'hui essentiellement assurée

par des IGBT ommandés en tension à l'ouverture et à la fermeture. L'IGBT est toujours

asso ié à une diode dite de roue libre en antiparallèle de façon à réaliser un interrupteur

bidire tionnel en ourant. En eet, lorsque l'IGBT est bloqué, il tient la tension négative

appliquéeentre olle teuretémetteur maisau un ourantne letraverse. Dansun organede

puissan e,ladiodepermetdegarderune ontinuitédu ourantdanslesbobinagesdumoteur

lorsque l'IGBT qu'elle protègeest bloqué. Sans ette fon tion, lesdis ontinuités engendrées

pourraient détériorer lemoteur.

Les omposants éle troniques modernes sont toujours réalisés à partir de millions de

ellules élémentaires en parallèle omme l'illustre la gure 1.3 [Ber00℄. Une pu e IGBT 

onstituée de deux millionsde ellules en parallèle s'étend aumaximum sur 2 m

2

. Cette

surfa e onstitue en eet un optimum entre les possibilités de miniaturisation qu'ore la

te hnologieetlaquantité de pu esextraites d'unwafer.Cettelimitationsurfa iqueimpose,

dansuneappli ationdepuissan e,derépartirle ourantentreplusieurspu esenlesdisposant

en parallèlesur les modules. Par exemple, une pu e IGBT de 3,3 kV est limitée à 50 A; la

réalisationd'un omposant de 1,2 kA né essite la mise en parallèlede 24pu es.

Lors de son fon tionnement,un omposantdissipede la haleursous plusieurs formes.A

l'étatpassant,s'ilesttraverséparun ourant,le omposantgénèredespertesohmiquesquelle

quesoitsa onstitution.Ildissipeégalementdela haleurlorsdela ommutation; esontles

pertesdynamiques.Letravaildel'éle troni iendepuissan e onsisteentreautreàdéterminer

larépartition de es pertes en fon tiondu omposant etdu régimede fon tionnement. Pour

un omposantCMOS  omposantutilisé enmi ro-éle tronique ilest établique70%à90

%des pertestotales proviennent de la ommutation [Rem01℄. Pour un IGBT implantédans

un onduleur, ette proportion hute à 50%.

1.1.2 Contrainte thermique

Letermedetempératuredejon tionestun on eptgénériquequirestesouventsujetà

dé-bat.Eneet,le on eptdejon tionenglobel'ensembledesempilementsdusemi- ondu teur;

lagure 1.3 montre qu'ilspeuvent être très nombreux. Dans e as, latempératurede

jon -tionreprésente-t-ellelemaximumlo ald'unde esempilements?Ou bienexprime-t-elleune

dévelop-Figure 1.3  Mise en parallèle de ellules élémentaires pour la réalisation de omposants

semi- ondu teurs (Sour e Bernot [Ber00℄)

pés par les éle troni ienspermettent de se faire une idée du omportement thermique d'un

omposantpour déduirede son ar hite ture ommentest dissipée la haleur.

Quel que soit le omposant, ette haleur doit être éva uée du module de façon e a e

anderégulersatempérature.Latempératuremaximaledejon tion,tellequ'onlaren ontre

dans les spé i ations, n'est pas en soi une limite de fon tionnement de la pu e, mais une

garantiedu onstru teur que son omposantaura une ertaine durée de viesi tous les

para-mètres requis sont réunis. L'évaluation de ette température ne se fait pas sans fondement

mais relèved'uneréellepréo upation.L'obje tifest eneetd'assureràl'utilisateuruntaux

de disponibilitéélevé etune durée de vie satisfaisante au produit pour un prol de mission

donné. Lesproduits de l'industrie ferroviaireprésentent en outre des prols de mission bien

dénisquipermettentdespé ieret ara tériserdefaçon pré iseles omposantsen fon tion

de leur appli ation.

Cependant, en dépit d'une bonne prédi tibilité des types d'utilisation de es systèmes,

les dimensionnements a tuels ne prennent pas en ompte les impa ts sur le vieillissement

des u tuations de types environnementales. Ainsi, lors de son exploitation, un module de

tra tion est soumis àdes y les de températuredi tés par les y les suivants [MG07℄ :

 Cy les saisonniers;

 Cy les journaliers;

 Cy les de tra tion-freinage(0,01 à1 Hz);

 Cy les statoriques (0,1 à 10Hz);

 Cy les de ommutation (30 Hz àqq kHz).

Aujourd'hui,la on eptiondes systèmesde tra tionnesebasequesur les y lesdutroisième

type.Personne ne sait déterminersi lesautres y les ontun impa t sur levieillissementdes

omposants. Le y le tra tionfreinage a ertes l'impa t le plus dire t sur l'éle tronique,

mais les y les saisonniers qui relèvent d'une tout autre é helle temporelle en ont aussi un

sur les matériaux d'en apsulation par exemple. Cette onsidération soulève le problème de

l'étudemulti-é hellequiestune thématiquedere her heetdedéveloppementen pleinessor.

des omportementsmi ros opiques ouauxé hellesde temps trèspetitessans engendrerune

explosion du oût de al ul?

S'il est aujourd'hui di ilede dénirpré isémentl'origine des y lages imposés à

l'éle -tronique, on sait depuis toujours qu'il est indispensabled'en extraire les alories. Le risque

en ouruen asd'absen eoudedéfaillan edusystèmederefroidissementestd'abord eluidu

dépassement de latempératuremaximalede jon tionre ommandée par le onstru teur. Au

delà,lematériauetlesbrasures peuventaussi atteindreleurslimitesde fusionetdes

é hauf-fements trop élevés mènent alors à la destru tion du omposant ou de son environnement

dire t.

1.2 Te hniques a tuelles de refroidissement

Outre la te hnologie de pu e utilisée, le système de refroidissement implanté dans un

module dépend fortement de l'appli ation nale, 'est-à-dire du y le tra tion-freinage qui

lui sera imposé. Ainsi le prol de mission d'un train grande vitesse ne ressemble en rien

à elui ren ontré dans une installation de type métro. Cela onduit à repenser le système

de refroidissement dès lors que elui- i est utilisé pour un nouveau type de y lage. C'est

pourquoi l'historiquedes systèmesde refroidissementavusesu éder touteunediversitéde

prin ipes.

1.2.1 Les systèmes monophasiques

Les systèmes se s

Apparu en même temps que l'éle tronique, le refroidissement par onve tion naturelle

ave l'air a permis d'extraire les quelques alories dissipées par les premiers omposants.

Rapidement,ilafallumettre etairen mouvement pour assurerde meilleuresperforman es

ave la onve tion for ée puis, par la suite, greer à l'éle tronique des ailettes orant une

plus grande surfa e de onta t ave l'environnement extérieur. Bien qu'il soit très répandu

en mi ro-éle tronique,leprin ipeest toujoursd'usageenéle tronique depuissan e pourune

faible proportion des appli ations. Il né essite en eet un fort en ombrement  en

onsé-quen e, une masse élevée  par rapport aux performan es réduites qu'il peut orir. En

onve tion naturelle,onpeut espérer des oe ientsd'é hange allantde 5à15W.m

−2

.K

−1

,

en onve tion for ée il peut aller jusqu'à 500 W.m

−2

.K

−1

.

Le panneau à ailettes représente don le système de refroidissement le plus simple et le

moinsonéreuxquel'on puisse on evoir.Pourl'éle troniquede puissan e,lesdimensionsdes

panneaux ailetéssont proportionnellesaux apa ités des modules.Cela onduit à on evoir

des ailettes jusqu'à 100 mm de longueur pour des épaisseurs de 5 mm. Les alories sont

extraites par une ir ulation d'air imposée par un ventilateur ou plus simplement par la

vitesse d'avan ement du train. Plus que les performan es en onve tion ave l'air, es

sys-tèmes sont rendus intéressants par l'inertie thermique qu'ilspro urent au module pour des

appli ationsde faiblepuissan e ara tériséespar de fortsrégimestransitoiresdus aux y les

de tra tionfreinage;le meilleurexemple en est lemétro.

Ce prin ipe est don moyennement adapté à un refroidissement dire t de l'éle tronique

la te hnologie de refroidissement mise en ÷uvre, la onve tion de l'air s'é oulant dans des

ailettes onstitue toujours ledernier maillonde la haîne. Ce sontalors lesperforman es de

transportdu système hoisi quipermettentdedéporter e puitsde haleuràun endroitplus

approprié. La onve tion de l'air dans des ailettes prend alors toute sa dimension en n de

haînede refroidissement,en elaqu'elle permet de répartir,par augmentation de lasurfa e

d'é hange, lesdensités de ux de haleur initialementélevées.

Refroidisseurs à eau

La haleur spé ique de l'eau, environ quatre fois supérieure à elle de l'air, ainsi que

sa masse volumique multipliée par mille, permettent d'imaginer des systèmes à onve tion

plus performants. L'établissement d'une ou he limite à proximité de l'éle tronique met à

prot ette propriété du uide en é oulement pour transférer la haleur vers le point froid

du système.

Un premier exemple de système met en ÷uvre e type de transferts dans des onduites

ylindriques.Cette te hnologie orrespond àl'é oulementd'unmélanged'eau et

d'éthylène-gly oldoséà40%dansquatreperçages ylindriquesusinésdansunblo de uivre( f.gure

1.4(a)). Dans es trous, sont brasés des tubes en éramique assurant l'isolement éle trique

entre l'é oulement et l'éle tronique. Ainsi le blo diuseur de uivre est au potentiel du

omposantrefroidi et isolé du reste du module par la paroi de éramique. L'eau établit une

ou he limiteturbulentesur lesparoisinternesdu tubeen étantbrasséeaupréalable parun

turbulateur.Lesextrémitésdes tubesde éramiquesontréuniesdansdes olle teursen a ier

inoxydable, protégéspar unenrobage sili one.Deux exiblesena ierinoxydablepermettent

de ra order hydrauliquementle refroidisseur.

0

0

0

0

1

1

1

1

00

00

00

00

11

11

11

11

00

00

00

11

11

11

PSfrag repla ements Colle teurs a ier Tubesde éramique Entrée du uide Sortiedu uide Empla ementéle tronique Blo de uivre

(a) Refroidisseurélémentaire

PSfrag repla ements

Blo s

refroidisseurs

Dispositif

de serrage

(b) Moduleàeau Six refroidisseurs

Figure1.4  S héma de prin ipedu refroidissement à eau

Ces refroidisseurs à eau sont très répandus pour le refroidissement de press-pa ks GTO

aupa kaging de85mmde diamètrede pastille(soit un en ombrementde pa kde 120 mm).

Ils peuvent assurer un refroidissement bifa e pour une puissan e totale de 2 kW par blo .

Un module est onstitué d'un empilage de plusieurs refroidisseurs inter alés entre les

om-posants éle troniques, l'ensemble est maintenu en pression, assurant ainsi les bons onta ts

mo-duleintégréillustréen gure1.4(b),qui ontientl'ensembledes onnexions depuissan e, les

onduites hydrauliques et la apa ité éle trique.

Plaques à eau

Le refroidissement monophasique à eau se dé line sous diverses formes qui dièrent les

unesdes autresparla ongurationdel'é oulement.Dans e systèmel'é oulementannulaire

des refroidisseurs à eau est rempla é par un é oulementen lame min equi serpente sur une

surfa e plane. Le système est métallique et ore à l'eau une se tion de passage

re tangu-laire. Sa faibleépaisseur (17 mm) et l'utilisationde lames transversales permetde favoriser

la turbulen e pour améliorer les transferts thermiques. Le uide est un mélange d'eau et

d'éthylène-gly ol entre 40et 50%, subissant une hute de pression entre l'entrée et la sortie

qui peut aller jusqu'à 0,9 bar.

Une plaque est onçue pour a ueillir six pa ks IGBT sur une seule fa e. Cette

te hno-logie n'assure pas l'isolation éle trique qui est reportée en amont dans le pa k IGBT par

l'intermédiaire du DBC ( f. paragraphe1.3). La plaque de diusion en uivre appliquéesur

lerefroidisseur n'estdon pasaupotentieldes omposants;lesinterfa esave lerefroidisseur

sont simpliées et le uide utilisé ne né essite pas de dé-ionisation, mais la omplexité de

gestion des interfa es est déportée sur lepa k.

1.2.2 Les systèmes diphasiques

Pourallerau-delàdesperforman esmonophasiquesdesuidesusuels,ilestpossible

d'uti-liser une autre ara téristiquethermophysiquedes uides;la haleurlatentede hangement

d'état.Eneet,le hangementdephased'unuideestunphénomènefortementénergétique;

il est expliqué en détail au hapitre 2. Ce prin ipe physique est depuis longtemps exploité

sous diérentes formes parfois très originales ommedans lessystèmes présentés i-après.

Le refroidissement immergé

Le système de refroidissement a pour but premier d'extraire la haleur des omposants.

Il peut arriver que leur ar hite ture in lut une isolation éle trique par l'utilisation d'un

matériau diéle trique le moins pénalisant possible d'un point de vue thermique; 'est le

as des refroidisseurs à eau du paragraphe pré édent. Le refroidissement immergé l'assure

aussi, mais ette fois- i par l'intermédiaire du uide qui regroupe es deux propriétés. Lors

de sa on eption, le hoix de e uide fut don relativement omplexe sa hant que elui- i

devait on ilieruneforte haleurlatentepourlesperforman esthermiques,unefaibletension

super iellepourmouillerlesradiateursetune rigiditédiéle triquepourlatenueen tension.

Le uidenal fut don le fréonR113 aujourd'hui rempla é par du FC72.

En s'appuyant surla gure1.5, onpeut en dé rireleprin ipede fon tionnement:

l'éle -tronique,au onta tdire tdediuseursailetés,permetde réerlasur hauelo alesusante

à provoquer la nu léation et le développement de bulles de vapeur. Ces bulles migrent par

poussée d'Ar himède vers les parois internes de la uve ylindrique. Ces parois sont

re ou-vertes d'ailettesaugmentantlasurfa e de ondensationetlesé hanges ave laparoi externe

elle-même onstituée d'ailettes en onta t ave l'environnement extérieur. La ondensation

ondensat ré-alimente ensuite le bain de uide. La onstitution en empilement permet

no-tamment de réduire ladimension des onnexions de puissan e entre les omposants.

PSfrag repla ements Ailettes internes Ailettes externes Fluidediéle trique Pu es immergées Cuve étan he

Figure1.5 S héma de prin ipedu refroidissement immergé

Lepremierprototype estréalisé en 1978pour aboutirà unesérie en 1981.Ainsien 1985,

1000 uvesde etypesontenexploitationjusqu'àatteindreles9000 uvesenservi een1991.

Leursu èsreposedéjààl'époquesurlapassivitédusystèmedufaitdel'absen edepompage

mé anique dans lepro essus de refroidissement.Lapuissan e thermique éva uéevarie entre

3à10kWen onve tionfor ée, 1à3kWen onve tion naturelle.Cettete hnologies'ins rit

déjà à son époque dans un sou i de diminution de masse et de re her he de ompa ité; la

masse d'une uve peut allerde 70kgpourlesplus ompa tes à170kg pour ellesexploitées

en onve tion naturelle.

L'un des avantages misen avant par les on epteurs on erne l'inertie du système selon

qu'il est refroidi par onve tion naturelle ou for ée, e qui lui permet don de s'adapter à

des y les urbains ou grande ligne. La densité de ux maximale qu'a epte l'évaporateur

s'élève à environ 15-25W. m

−2

. Enrevan he ette te hnique très pointue exige des normes

de propreté très ontraignantes lors de la moindre intervention à l'intérieur de la uve, qui

doitsedéroulerensalleblan hepourévitertoute ontaminationdes omposantsetduuide.

Le système modulaire uide

A l'image des systèmes monophasiques il paraît intéressant de pouvoir rendre distant

le point haud du point froid dans un système diphasique. Cela est rendu possible par

une utilisation plus poussée de la gravité ave des systèmes dans lesquels la vapeur réée

est éva uée par une onduite as endante, puis restituée par ruissellement dans une autre.

Apparaissentalorslepoint haudd'unepart,nomméévaporateur etlepointfroiddel'autre,

le ondenseur.

LeSystèmeModulaireFluide(SMF)est probablementl'undespremierssystèmes

dipha-siques introduits dans une haîne de tra tion ferroviaire.Son ar hite ture reprend elle des

refroidisseurs à eau et repose sur l'utilisation de la haleur latente du fréon R113 dans une

bou legravitaire. Le ondenseur, situé en extérieur du ore éle tronique, est par ouru par

un uxd'air verti al.Il est isolééle triquementde lapartie évaporateuraupotentielpar les

propriétés diéle triques du uide etpar des bagues en éramiquede liaison installéessur les

onduites vapeur etliquide.

Cettete hnologies'adapte àdes omposantsde type press-pa ks enar hite ture ha heur

de serragepour fa iliter lagestiondes interfa es thermiques.L'exploitation des for es

gravi-tairesimposentunepositionhautedu ondenseurqui ontraintfortementsonen ombrement

ommelemontrelagure1.6(a).Lesystèmefutinstallésurdesappli ationsallantdu métro

au TGV ouvrant une gamme de puissan e allantde 875 W à 3900 W par module répartie

sur 2 à 6évaporateurs. PSfragrepla ements Dispositif de serrage Condenseur Évaporateurs (a) ModuleSMF PSfrag repla ements Évaporateur Calodu Condenseur (b) Calodu gravitaire

Figure 1.6 Systèmes diphasiques gravitaires

Le alodu gravitaire

Le SMF est un pro édé judi ieux mais on peut aller en ore plus loin, en simpliant la

te hnique. Le alodu est un simple tube hermétique dans lequel est introduit un uide

à l'état de saturation. La vapeur réée à l'évaporateur est ondensée en partie haute puis

ruissellele long des paroisdu tube pour ré-alimenter lapartie basseen phaseliquide. Ainsi,

les phasesvapeur etliquide sont regroupées dans le même tube.

Cette te hnologietrès répandue dans lessystèmes roulantsrepose sur le ouplage en

pa-rallèle de plusieurs alodu s fon tionnant en mode thermosiphon dont diérentes versions

ont pu se su éder au ours du temps. Quelle qu'en soit la version, la morphologie d'un

tel module répond toujours à la même implantation : un diuseur global en aluminium

re-froidiparquatorze alodu sgravitairesremplisalternativementparduméthanoloude l'eau.

Les alodu s sont toujours disposés à la verti ale et l'é oulement d'air dans les ailettes est

horizontal.Untelsystèmeestéquipédequatre pa ks IGBTdontilassurelerefroidissement.

Outrelapassivitéde e système,l'exploitationde lagravitépourleretourliquidedansla

zoned'évaporation ontraintfortement l'ar hite ture dumoduleetréduitladistan e

l'évaporateurlui onfèreuneimportanteinertiequipermetde s'adapteraux y lagesrapides

ren ontrés dans lesappli ations de tramways ou de trains inter-urbains.

Contrairement auSMF, leuide utilisé n'est pas diéle trique et n'assure pas d'isolation

des semi- ondu teurs. Les tubes ne sont pas isolés éle triquement; ette fon tion est là

en- ore assurée par le pa k IGBT représenté en gure 1.7. Cette parti ularité permet bien sûr

d'obtenir de meilleures performan es de la part du système de refroidissement puisque le

uide utilisé présente alors de meilleures qualités au hangement de phase. En revan he, la

problématique est identiqueà elle des plaques àeau où ledéport de l'isolationdiéle trique

provoque l'apparition d'interfa e supplémentaires qui sont pénalisantes d'un point de vue

stri tement thermique. Le onta t thermique entre le pa k isolé et le module de

refroidisse-ment se faità l'aide d'une graisse thermique auxperforman es dis utables avantet surtout

après vieillissement.

Le alodu gravitaireprésentedesur roîtun ertainnombrededésavantages.D'unepart,

il est fortement ontraint par le fait qu'il utilise la gravité pour assurer le retour du uide

à l'évaporateur. Son utilisation se fait don obligatoirement à la verti ale, évaporateur en

position basse. Une grande partie des é hanges se produisent par ébullitiondans la réserve

de liquide, e qui a pour onséquen e de limiter les oe ients de transfert par rapport à

une onditiond'évaporationenlm, parexemple.Pourlamêmeraison,ilest très ompliqué

de ontrler les phénomènes transitoires et don leurs onséquen es sur la régulation en

températurede l'éle tronique.

1.2.3 Synthèse

Ce panoramamet àjour unegrande diversité de types de refroidissement pour les

appli- ations ferroviaires. Cette variété vient probablement du fait que les gammes et onditions

d'utilisation des produits du ferroviairesont elles-mêmetrès étendues. Le proposn'est don

pas de réaliser un lassement de es systèmes suivant leurs performan es mais plus

exa te-ment de mettre en avantleurs parti ularités.

En eet, ha un d'entre eux est bien souvent adapté à un type de prol de mission et

rarement multidis iplinaire.Certains fournissent une isolationdiéle trique en plus d'assurer

lerefroidissement,d'autres a hent degrandes apa itésde transfertmaissontpeuadaptés

aux y les ourts. Les prin ipales informations sur es systèmes sont regroupées dans le

tableau 1.1.

Puissan e Puissan e Masse du Volume Mise en

Te hnologie nominale(kW) maximale (kW) module(kg) total (L) servi e 1 Panneau àair 17,6 85 90 Ref. àeau 12,0 105 1982 Plaque à eau 6,0 17,4 5,5 1992 SMF 0,875 - 2,0 3,9 61 - 110 120 - 280 1970 Ref. immergé 1,0 - 10,0 67,5 -170 82 -227 1981 Calodu 5,0 - 7,5 10,4 50 25 1995

Tableau 1.1  Cara téristiques et performan es des systèmes de refroidissement

1

1.3 Axes de re her he et développements PEARL

1.3.1 Le laboratoire

Initialement mandaté par l'industrie ferroviaire pour nalement s'ouvrir aujourd'hui à

l'aéronautique,la laboratoirePEARL est en harge de lare her he et lavalidationde

te h-nologies de base pour l'intégration avan ée des onvertisseurs de puissan e embarqués. La

onversion des ux d'énergie éle trique au sein de es systèmes relève de la gestion d'un

environnement thermique, mé anique, éle trique et éle tromagnétique soumis à de fortes

ontraintes. L'obje tif premier de es te hnologies est de réduire la masse, l'en ombrement

etle oût des futurs produitsde onversion tout en a hant desperforman eségales à eux

existants.Pour l'industrie aéronautique, ela vamême au-delà puisqu'il s'agit de substituer

aux a tionneurshydrauliques lassiques des a tionneurséle triques.

Le laboratoire fon tionne en fédérant universitaires et industriels autour de es

théma-tiques an de développer des systèmes ompétitifs et innovants. Ainsi lors de son premier

exer i e 2001 - 2004 PEARL a développé un démonstrateur nomméDémonstrateur-NT

ré-volutionnantlemondede l'éle troniquede puissan eenintroduisantletransitdu ouranten

3D danslesmodules de puissan e.Ce prin ipeest dé ritdans lebrevetdéposé par

Mermet-Guyennet et S haeer [MGS05℄et illustré en gure 1.8.

1.3.2 La te hnologie a tuelle

Un IGBT est aujourd'hui assemblé sous forme de pa k tel que dé rit en gure 1.7. La

pu e1 onstituele ÷urdusystème; elle- iestbraséesurunDBC(Dire tBoundedCopper)

assembléàpartird'uneépaisseurde éramiqueàlaquellesonta olées,departetd'autre,des

métallisationsen uivre.Ellespermettent deréaliserles brasures3et4 lorsde l'assemblage.

Les onne tiques de puissan e 11 alimentent les pu es en ourant par leur base ( olle teur)

qui le restituent en émetteur aux ls de bonding 2. Le signal de sortie transite enn par

des onne tions de puissan e de type 11. Le boîtier 10 est rempli de gel sili oné visant à

assurerletenue entensiondes omposants.La haleurdissipée parlespu esest éva uéepar

lediuseur 5 pour être transmise ausystème de refroidissement.

Le lassique pa k IGBT tel qu'il est onçu dans nombre d'appli ations de tra tion

pré-senteplusieurs pointsfaibles. D'une part, lamultipli itédes matériauxutilisés onduit àde

fortes ontraintes thermo-mé aniques qui sont souvent la sour e d'un vieillissement

préma-turé [MG06℄.D'autre part, lenombre etla omplexitédes onta ts thermiques onduitàde

médio res performan es en refroidissement et limite de fait les densités de ourant

admis-siblesàunevaleurtrès inférieureauxvaleursintrinsèques a eptablesparlespu es.L'aspe t

thermiquereprésente don l'obsta le majeur à larobustesse de es pa ks.

Il présente ependant l'avantagede on ilierisolationéle triqueetéva uationthermique.

Ainsi,les DBC orentune bonnetenue en tensionalliée à une forte ondu tivité thermique

assurée par la présen e de la éramique. Ses performan es en tant que telles sont don

a eptables, mais ilreste à l'intégrer dans un système omplet.

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Figure1.7 Pa k IGBTALSTOM :1 Pu e IGBT oudiode,2 Filde bonding,3Brasure de

pu e, 4 Brasure DBC, 5 Diuseur de uivre, 6 Graissethermique, 7 Système de

refroidisse-ment,8 Substrat Dire t Bonded Copper, 9 Gelsili one,10 Boîtierplastique,11 Bus bar de

puissan e (dessin par P. Lasserre/ sour e [MG06℄)

1.3.3 L'intégration

L'intégration de puissan e onsiste à regrouper un maximum de fon tionnalités dans

un minimum de volume. Elle relève d'un assemblage de ompéten es approfondies;

utilisa-tion des semi- ondu teursdepuissan e, ar hite turedes systèmeséle troniques, abilitédes

matériaux, thermiqueet phénomènes ouplés (thermomé anique, éle trothermique,

éle tro-dynamique...).

Le prin ipal défaut de on eption des modules de puissan e existants vient du fait que

l'ar hite ture et les omposants éle troniques sont pensés indépendamment de la partie

re-froidisseur.Orpour des questionsde abilité,il estessentielde suivreune appro he système

si l'on souhaiteprendre en ompte l'ensemble des ontraintes dès le début du projet. Cette

né essité d'é hange interdis iplinaire orrespond exa tement à la démar he suivie pour la

on eptiondu Démonstrateur-NT. Pluttquede on evoirlesystèmepar unevoie lassique

verti aleoù haque ompéten eintervient l'une après l'autre,le partifut pris de fairepeser

le mêmepoids à haque dis iplinedans un sou i de robustesse de on eption.

En prenant en ompte es onsidérations, une première génération de onvertisseurs

in-tégrés aété développée selon les on epts suivants pour aboutir àl'interrupteur élémentaire

illustré en gure 1.8 :

1. Améliorationdurefroidissementparunrappro hementdurefroidisseurdes omposants

et, par onséquent, une diminution du nombre d'interfa es;

2. Rédu tion des onne tions de puissan e et de faible voltage : rempla ement de ls

d'aluminium (bonding) par des sphères de uivre (bumping);

3. Intégration de l'ensemble d'une phasedans un matériaupolymèreave une étan héité

PSfrag repla ements DBC Inférieur DBC Inférieur DBCSupérieur Bille oubump Pu e PSfrag repla ements DBC Inférieur DBC Supérieur Billeou bump Pu e

Figure 1.8  Dessins de on eption d'un interrupteur élémentaire et d'une phase du

Démonstrateur-NT (dessinpar P. Lasserre)

Lavuedétailléedelagure1.8montreles onne tiquesde puissan eréaliséesparbumps,

quipermetau ourant éle triquede transiterpar les ir uitsde uivre du DBC supérieur se

substituantaux lsde bonding du pa k IGBT.

Cette nouvelle génération d'interrupteurs de puissan e s'est a ompagnée d'une forte

intégration de l'ensemble du module. En eet, il a fallu on evoir un pa kaging ainsi qu'un

refroidissement adaptés : une ir ulation d'eau est réalisée dans une enveloppe étan he de

polyetherimide (PEI). Des études en amont ont permis de valider l'assemblage d'un tel

matériautouten garantissantperforman esetlongévitéadaptées auxexigen esdesmodules

de tra tion.Lesystèmede refroidissementfaitalorspartieintégrantedu moduleenassurant

un refroidissement bifa e de l'interrupteur élémentaire. La gure 1.9 illustre une vue en

oupe de la lame d'eau qui s'établitde part et d'autredes omposants éle troniques.

Celle- i s'é oule dans des ailettes de uivre brasées sur le DBC inférieur, qui reçoit les pu es

sur sa fa e intérieure. Puisque le bumping présente un intérêt thermique, une partie de la

haleurdissipée parlespu espeuttransiteren fa esupérieure.C'estpourquoiune partiede

l'é oulements'établitégalementenfa esupérieureduswit h.Le heminthermiqueemprunté

pour a éder à la partie supérieure est plus ontraignant que elui de la partie inférieure;

les al uls de on eption établissent que 70 % de la haleur dissipée est transférée en fa e

inférieure ontre 30% en fa e supérieure à onditions auxlimites égales.

Grâ e à l'utilisation de matériaux nouveaux et le développement d'interrupteurs

inno-vants,l'allègementdesmodulesest ee tif,sans pourautantsa rierses performan es.Mais

qu'en est-il de la pompe qui assure la ir ulation du liquide de refroidissement? Peut-on

en réduire la masse sans inuer sur sa durée de vie? Le plus simple reste peut-être de la

PSfrag repla ements Entrée uide Sortie uide PSfrag repla ements Entrée uide Sortie uide Lame inférieure Lame supérieure Ailettes Interrupteur

Figure 1.9  Vue en oupede l'é oulement liquide du DemoNT

1.3.4 Le refroidissement statique

Présentation du projet

On saitque la majeure partie des défaillan es d'un module provient de la thermique et

en parti ulierdes problèmes liésaux interfa es. Sur sadurée de vie,la abilitéd'un module

est aussi largement tributaire de la pompe qui met le uide aloporteur en mouvement. Si

l'on arrive à on evoir un système plus robuste qui s'en aran hit, on peut espérer un fort

gainenmaintenan e,voireen duréedevie.Lessystèmesdiphasiquesexistantspermettentde

satisfaireà esexigen esmaisilsrestenttrèsdépendantsdelagravitéquilimitesouventleurs

possibilités.De plus, ertainsrestentpeu ablesàl'image desmodulesà alodu s gravitaire

dé rits pré édemment.

Le laboratoire PEARL a don ressenti la né essité d'avan er dans ette dire tion en

re her hantun systèmeinnovant apablede fournirlemeilleurdesé hangesthermiquesave

hangement de phase. Ce projet nommé refroidissement statique propose don de on evoir

un système de refroidissementqui réponde auxexigen es suivantes :

 Suppression de piè es mobiles pour la mise en mouvement du uide;

 Autonomietotale ourelative d'apports énergétiques liésàla régulation;

 Possibilité de sto kage du système auxtempératures négatives.

Le hapitre2abordedansunebibliographiedétailléelessolutionsenvisageables omptetenu

de esobje tifs.L'étudeproposée onsisteà ara tériserle hampdessolutionspossiblespour

ette appli ation,puis d'en ee tuerlestests né essaires àvaliderouéliminerlate hnologie

en question.L'obje tifde es essaisestde prouverquelasolution hoisieest ompatibleave

les ontraintes apportées par l'éle tronique de puissan e et que l'on peut envisager qu'elle

fasse un jour partie intégranted'une haînede tra tion.

Obje tifs

Il est, en premier lieu, imposé par le fabri ant des omposants éle troniques implantés

dans lesinterrupteurs élémentaires.Leur durée de vieest assurée par laplupartdes

fournis-seurs pour une température de jon tion maintenue inférieure à 125°C. ALSTOM y ajoute

une marge de sé urité inhérente aux appli ations qui en sont faites. Ainsi le système de

 Letransfertde fortespuissan es thermiquesdissipées parlespu es,lepi de puissan e

de l'a élération est fortement dissipateur (

≈

650 W par interrupteur);

 Ladiusionde fortesdensités deuxde haleurlo aliséessous lespu es,quipeutaller

jusqu'à 120 W. m

−2

;

 Le maintien d'une températurede jon tion inférieure à115°C;

 La limitationde l'os illationde températureentre

Tmax

et

Tmin

inférieure à45°C. Con rètement, un y le de tra tionsemanifeste ommeillustré en gure 1.10où se

su - èdent les phases d'a élération, de roisièreet de freinage : 'est le y le Z2N5. Ce présent

y le représente la puissan e dissipée par un interrupteur élémentaire lors du déroulement

transitoire le plus ontraignant. La onstitution d'une phase regroupe huit de es

interrup-teurs, qui totalisent ainsi, au plus fort de l'a élération, une puissan e globale de 5,2 kW

pendant quelquesdizainesde se ondes. Lerefroidissement hoisi doitdon assurerlerespe t

des onditionslistéesplushautpourl'éle troniqueettransférer ettequantitéde haleurvers

l'environnement. L'amorçage du système est don primordialet doit s'ee tuer au premier

démarragemaiségalementaprès haquearrêtenstationoùl'éle troniquen'aplusd'a tivité.

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Diode

IGBT

Switch

P

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s

a

n

c

e

(

W

)

Temps (s)

Figure1.10 Cy le de tra tionZ2N5

1.4 Con lusions

La tra tion éle trique ferroviaire fait état d'une grande diversité de systèmes de

refroi-dissement, souvent très spé iques et adaptés à une, voire deux appli ations. S'ils orent

de bonnes performan es, ertains d'entre eux présentent des dysfon tionnements très

péna-lisantsdansleur mise en ÷uvre.Il est don né essaire d'envisager de nouveaux systèmes qui

puissent a roître la abilitédes haînesde tra tion.

Le hamp des possibilitéssemble vaste mais l'éle tronique de puissan e onstitue un

en-vironnement très parti ulier en terme de puissan e thermique etde ontraintediéle trique.

Les onditions liées au domaine ferroviaire représentent également un impératif sévère,

solutions utilisant l'eau pure. La solution n'est don pas immédiate et mérite que l'on s'y

pen he sérieusement.

Le hapitre2proposeuneétudebibliographiquequipermetd'introduireles on epts

fon-damentauxliés auxbou lesdiphasiques à pompage apillaire,solution qui semble répondre

Synth`

ese bibliographique sur les boucles diphasiques

S

i lessystèmesderefroidissementdes appli ationsferroviairesexistentsousdesformestrès

diversiées, ilsrestent ependant perfe tibles etsourent parfois de quelques gros

désa-vantages pour répondre à l'intégration avan ée. En eet, les systèmes diphasiques détaillés

aux pagespré édentes orentune bonne autonomie, maissont biensouvent trop tributaires

de la gravité. Les systèmes monophasiques le sont moins mais l'utilisationsystématique du

pompagemé anique yreprésenteun in onvénient majeur.Il semble en faitque l'intégration

des haînes de tra tion terrestres modernes repose aujourd'hui sur des problématiques

ren- ontrées à l'époque de son essor dans l'industrie spatialeen termede rédu tion de masse et

de gainen abilité.Orlesingénieursdu mondespatialutilisentunete hnologiequiallieaux

avantages du hangement de phase une te hnique orantune relativeexibilité en termede

distan e entre sour es haude et froide. Cette te hnologie, 'est la bou le diphasique à

pompage apillaire.

Lespionniers en lamatièrefurent en eetles manufa turiersdu spatial, quilespremiers

lan èrentdessatellitesarti ielsautourdelaTerre.C'esten1957que ommen e etteépopée

ave Spoutniketparlamêmeo asionla ourseàlarédu tiondelamasseutilemiseenorbite.

Pour un système dont la durée de vie doit atteindre trente ans, sans au une intervention

humaine,ilestné essairededévelopperdesdispositifsderefroidissementsusammentables

et légers pour assurer son intégrité thermique.

Ce système a fait l'objet d'un très grand nombre d'études qui on ernent des transferts

de haleur modérés par rapport aux niveaux de puissan e du ferroviaire et des onditions

misesen orbitevontrarementau-delàde quelques entainesde watts. Pour l'éle troniquede

puissan e appliquée à la tra tion ferroviaire, ela représente un minimum ( f. hapitre 1).

Les onditions extrêmes imposéespar l'environnement spatialen termes de mi ro-gravitéet

de niveau de températureajoutentàlaforte ontraintequesubissent essystèmes. Cela

im-pliquel'utilisationde matériauxspé iquesauxfaiblesmassesvolumiqueset, le asé héant,

de uides aux ara téristiques thermophysiques adaptées à la gammede températures [200

K; 350 K℄ pour lagestion des instruments de mesure et de l'éle tronique. Lorsqu'elles sont

inférieures,ilfautavoirre oursàla ryogéniepourassurerdes performan es dans es

ondi-tions.

Pour se familiariser ave la te hnologie, e hapitre aborde les prin ipes fondamentaux

quiinterviennentdansunebou lediphasique.Enn,uneétudedétailléedes deuxprin ipaux

systèmesexistantsmet enrelationleursavantagesetin onvénientspouraboutiràlaréponse