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Conception Tridimensionnelle optimisée d’un
convertisseur de traction ferroviaire à base de carbure de silicium (Sic)
Andressa Nakahata Medrado
To cite this version:
Andressa Nakahata Medrado. Conception Tridimensionnelle optimisée d’un convertisseur de traction
ferroviaire à base de carbure de silicium (Sic). Energie électrique. Université Grenoble Alpes [2020-..],
2020. Français. �NNT : 2020GRALT041�. �tel-03118251�
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE GRENOBLE ALPES
Spécialité : Génie Electrique
Arrêté ministériel : 25 mai 2016
Présentée par
Andressa NAKAHATA MEDRADO
Thèse dirigée par Jean-Luc SCHANEN, et codirigée par Jean-Michel GUICHON
Pierre-Olivier JEANNIN
préparée au sein du Laboratoire G2Elab
dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique et Traitement du Signal
CONCEPTION TRIDIMENSIONNELLE OPTIMISEE D’UN CONVERTISSEUR DE TRACTION FERROVIAIRE A BASE DE CARBURE DE SILICIUM (SiC)
Thèse soutenue publiquement le 9 octobre 2020, devant le jury composé de :
Mme. Geneviève DUCHAMP
Professeur, Université Bordeaux 1, Laboratoire IMS, Présidente
M. Christian MARTIN
Professeur, Université Claude Bernard, Laboratoire Ampère, Rapporteur
M. Paul-Etienne VIDAL
Maître de Conférences HdR, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tarbes, Rapporteur
M. Jean-Luc SCHANEN
Professeur, G-INP, Univ Grenoble Alpes, G2ELab, Directeur de thèse
M. Jean-Michel GUICHON
Maître de Conférences, Univ Grenoble Alpes, G2ELab, Co-encadrant
M. Pierre-Olivier JEANNIN
Maître de Conférences, Univ Grenoble Alpes, G2ELab, Co-encadrant
M. Emmanuel Batista
Ingénieur Simulations Multi Physique, Alstom Transport Tarbes, Invité
M. Guillaume DESPORTES
Ingénieur de Système de Traction, Alstom Transport Tarbes, Invité
RESUME
L'industrie ferroviaire se concentre sur les avantages de l'utilisation des dispositifs à grand gap dans les applications de traction. Dans le cadre du projet européen « Shift2rail », les avantages potentiels de l'utilisation des composants à base de carbure de silicium (MOSFET SiC) dans les futurs convertisseurs sont étudiés ainsi que les impacts potentiels sur la conception des modules. Les outils informatiques de simulation multi physique ont beaucoup progressé et permettent aujourd'hui une véritable chaîne de CAO, allant de la conception mécanique jusqu'à la simulation électrique complète, et en mettant en valeur l'intérêt d'une approche résolument orientée vers la simulation et l'optimisation. Cependant le désir est maintenant d'aller plus loin que la simple validation d'une solution via la simulation. L'enjeu est d'effectuer la conception via une méthodologie se basant sur des stratégies d'optimisation utilisant ces outils. En effet les implantations tridimensionnelles des composants pour réaliser les structures de conversion ont déjà mis en évidence certains défauts structurels comme des problèmes d'équilibrage des courants en dynamiques lors des commutations, qui conduisent à devoir sur dimensionner ces composants : ces phénomènes seront clairement amplifiés avec l'usage de semi-conducteurs aussi rapides que les MOSFETs SiC. Par ailleurs, des règles de dimensionnement usuelles issues de dizaines d'années d'expériences peuvent se retrouver inefficaces voire contre-productives face à cette rupture technologique que constitue l'emploi de semi- conducteurs à grand gap.
L’analyse des phénomènes au sein d’un convertisseur complexe de moyenne puissance (comme ceux utilisés dans les trains régionaux) n’est pas évidente vu le nombre des composants et la manière comme ils sont assemblés. Modéliser l’ensemble des connectiques (bus bars DC, bus bar de phase, bus bars de liaisons) et composants (condensateurs de filtrage, semi-conducteurs, condensateurs de découplage) en prenant en compte leur impact lors de la commutation des semi- conducteurs, notamment dû aux impédances parasites, est essentiel lors de l’analyse et de l’optimisation d’un système complexe. Cette thèse propose une méthodologie de conception basée sur la technologie actuelle (IGBT Si) du système de traction. Le but de ce travail est d’avoir des méthodes qui permettront alors de s’adapter plus facilement aux nouvelles contraintes imposées par des vitesses de commutations bien plus rapides. Une étude détaillée de la cellule de commutation est présentée, afin d'analyser comment dimensionner de manière optimale le condensateur de découplage à intégrer au plus près de la cellule de commutation. A partir d'analyses fréquentielles et temporelles, nous montreront comment améliorer le choix de ce composant clé du circuit de puissance, souvent dimensionné empiriquement et à l'aide de retour d’expérience.
L’équilibrage dynamique des courants lors de la mise en parallèle des semi-conducteurs est aussi abordé dans cette thèse. L'origine de ces déséquilibres est à la fois due aux interconnexions de puissance, mais également aux interactions entre le circuit de puissance et la commande ("driver").
Cette étude nous amènera à mettre en œuvre une optimisation pour rendre la répartition des courants la plus équilibrée possible en modifiant la géométrie des circuits de grilles et d’émetteurs. Cependant l'approche générique proposée s'appliquerait tout à fait à une intégration plus large où des degrés de liberté seraient laissés sur la conception du module de puissance, en intégrant par exemple les capacités de découplage.
Mots clés : électronique de puissance, convertisseur de puissance, carbure de silicium, optimisation,
traction ferroviaire, application industrielle, méthodologie de conception.
ABSTRACT
The rail industry is focused on the benefits of using wide gap devices in traction applications.
Within the framework of the European project “Shift2rail”, the potential advantages of the use of components based on silicon carbide (MOSFET SiC) in future converters are studied as well as the potential impacts on the design of power modules. Computer tools for multi-physical simulation have progressed considerably and today allow a real CAD chain, from mechanical design to complete electrical simulation, and highlighting the value of an approach resolutely oriented towards simulation and optimization. However, the desire now is to go further than simply validating a solution via simulation. The challenge is to carry out the design using a methodology based on optimization strategies using these tools. In fact, the three-dimensional layouts of the components to achieve the conversion structures have already highlighted certain structural defects such as problems of balancing the currents in dynamics during switching, which lead to having to oversize these components: these phenomena will be clearly amplified with l semiconductors as fast as SiC MOSFETs. In addition, the usual design rules from decades of experience may be ineffective or even counterproductive in the face of this technological breakthrough that constitutes the use of large gap semiconductors.
The analysis of phenomena within a complex medium power converter (like those used in regional trains) is not easy given the number of components and the way they are assembled. In order to model all the connectors (DC bus bars, phase bus bars, connection bus bars) and components (filtering capacitors, semiconductors, decoupling capacitors) considering their impact when switching semiconductors, especially due to parasitic impedances, is essential when analyzing and optimizing a complex system. This thesis proposes a design methodology based on current technology (IGBT Si) of the traction system. The aim of this work is to have methods which will then make it easier to adapt to the new constraints imposed by much faster switching speeds. A detailed study of the switching cell is presented, in order to analyze how to optimally size the decoupling capacitor to be integrated as close as possible to the switching cell. From frequency and time analyzes, we will show how to improve the choice of this key component of the power circuit, often dimensioned empirically and using feedback.
The dynamic balancing of currents during the parallelization of semiconductors is also addressed in this thesis. The origin of these imbalances is both due to the power interconnections, but also to the interactions between the power circuit and the control ("driver"). This study will lead us to implement an optimization to make the distribution of currents as balanced as possible by modifying the geometry of the gate and emitter circuits. However, the generic approach proposed would apply entirely to a wider integration where degrees of freedom would be left on the design of the power module, by integrating for example the decoupling capacities.
Keywords: power electronics, power converter, silicon carbide, optimization, rail traction, industrial
application, design methodology.
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier M. Jean-Luc SCHANEN, Professeur de Grenoble INP – Université Grenoble Alpes et directeur de ma thèse, qu’avec ses connaissances et expertise incommensurables m’a encadré tout au long de ce projet et qui m’a fait partager ses conseils et encouragements. J’exprime ma gratitude et admiration pour ses qualités pédagogiques et scientifiques, c’est un honneur développer cette thèse sous son encadrement.
Je tiens à témoigner toute ma reconnaissance à mes co-encadrants M. Jean-Michel GUICHON, Maître de Conférences à l’Université Grenoble Alpes, et M. Pierre-Olivier JEANNIN, Maître de Conférences à l’Université Grenoble Alpes. A Jean-Michel, mes sincères remerciements pour le temps qu’il m’a accordé, pour ses idées et pour partager sa grande connaissance dans les modélisations mathématiques et les processus d’optimisation. A Pierre-Olivier, pour son encadrement, pour le soutien et la patience qu’il m’a témoignée, merci d’être toujours disponible pour répondre à mes questions et pour avoir accompagné le projet de près.
J’adresse de sincères remerciements à Guillaume DESPORTES, Ingénieur des Systèmes de Traction à Alstom Transport Tarbes, pour m’avoir confié à ce projet au sein d’Alstom. Merci pour son accueil, le temps passé ensemble lors de nos points d’avancement et la patience pour partager son expérience et ses compétences tout au long de ma thèse.
Ce travail n'aurait pu être réalisé sans l’aide d’Emmanuel BATISTA, Ingénieur Leader en Simulations Multi Physiques à Alstom Transport Tarbes, qui avec sa patience, expertise et gentillesse m’a offert le cadre de travail idéal. J’ai beaucoup appris et grandi professionnellement grâce à ses conseils et sa maîtrise des outils de simulation.
Je désire grandement remercier M. Geneviève DUCHAMP, Professeur à l’Université Bordeaux 1, d’avoir accepté d’être président du jury. Je voudrais remercier également les rapporteurs de cette thèse M. Christian MARTIN, Professeur à l’Université Claude Bernard, et M. Paul-Etienne VIDAL, Maître de Conférences HdR à l’Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tarbes, pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail.
Merci à Davide BARLINI pour avoir m’accueilli dans son équipe ; à José et à Jean-Yves pour son aide durant la réalisation des mesures sur les bancs d’essais à Tarbes. Un grand merci à Alexandre ROUMAS, Ingénieurs Systèmes de Traction à Alstom Transport Tarbes, pour son accueil et ses conseils (pour la thèse et l’avenir) ! J’ai eu beaucoup de plaisir à travailler avec lui et d’avoir partagé des moments conviviaux les midis. Merci aussi à Pierre, Tic et Tac (Hugues et Jean-Christophe) et Pascal, pour les bons moments de bonheur. Enfin, merci à toutes les personnes qui m'ont conseillée lors de la réalisation de cette thèse et m’ont soutenu à ma réussite. Merci également à mes collègues du laboratoire G2Elab et de l’équipe d’Electronique de puissance, les pauses café et les apéros de midi font parties de bons moments partagé au long de ce défi.
J’exprime ma gratitude à Lucas Henrique DE ARAUJO PEREIRA, mon meilleur ami et avec qui j’ai le plaisir de partager cette réussite. Son soutien quotidien, sa patience, sa présence et sa confiance m’ont motivé à accomplir ce projet, je ne saurais jamais lui dire combien je le remercie et je l’aime.
Enfin, je remercie à ma chère famille que même de loin m’a encouragé et soutenu. A mes
parents, Valdeci et Lucia, et à ma sœur, Larissa, je voudrais les remercier chaleureusement, ses
encouragements sont les piliers fondateurs de ce que je suis et de ce que je fais. Sans oublier bien sûr
mes parrains, Clélia et Manoel, et toute ma famille NAKAHATA et MEDRADO.
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Table des matières
Chapitre 1. Introduction générale et Etat de l’art : la chaîne de traction ... 11
1.1. Les systèmes ferroviaires ... 13
1.2. L’évolution du système ferroviaire ... 14
1.3. Les catégories des engins de traction ... 17
1.4. Les systèmes d’alimentation de tension ... 18
1.5. Les composants semi-conducteurs ... 20
1.5.1. L’IGBT à silicium : la technologie utilisée aujourd’hui dans le ferroviaire ... 21
1.5.2. Le MOSFET à Carbure de Silicium dans le domaine ferroviaire ... 23
1.6. Les convertisseurs de puissance ... 25
1.7. Contexte de la thèse ... 26
1.8. Conclusion ... 29
1.9. Références bibliographiques ... 31
Chapitre 2. La cellule de commutation ... 33
2.1. Présentation de l’étude ... 35
2.2. Le modèle électromagnétique d'une cellule de commutation ... 37
2.3. Analyse fréquentielle de la surtension du semi-conducteur ... 44
2.4. Analyse temporelle de la surtension du semi-conducteur pour valider le modèle proposé (banc expérimental faible puissance) ... 47
2.5. Analyse temporelle de la surtension du semi-conducteur pour valider le modèle proposé (ONIX 671 d’Alstom forte puissance) ... 49
2.6. Définition de la capacité de découplage optimale ... 56
2.6.1. Formulation de la méthode d’optimisation ... 56
2.6.2. Processus d’optimisation et sa fonction objectif ... 56
2.7. Analyse de sensibilité ... 57
2.8. Ajout d’une résistance en série avec le condensateur de découplage ... 61
2.9. Conclusion ... 65
2.10. Références bibliographiques ... 66
Chapitre 3. Cellule de commutation complète : l’impact des circuits de commande ... 67
3.1. Intérêt de l’étude... 69
3.2. Représentation d’un convertisseur de puissance : ONIX 671 ... 70
3.2.1. Analyse de l’interaction puissance-commande : les couplages en simulation ... 71
I. Cas 1 : Couplage puissance-puissance ... 71
10
II. Cas 2 : Couplage puissance-puissance et commande-commande ... 72
III. Cas 3 : Couplage puissance-commande ... 73
3.2.2. L’approche matricielle : cas général ... 74
I. Mise en parallèle de circuit de puissance ... 74
II. Mise en parallèle de circuit de commande : prise en compte du circuit de grille ... 76
III. Mise en parallèle de circuit de commande : prise en compte d'un émetteur de commande différent de l'émetteur de puissance ... 79
3.3. Conclusion ... 83
3.4. Références bibliographiques ... 84
Chapitre 4. Optimisation de la carte de distribution ... 85
4.1. Objectif de l’optimisation ... 87
4.2. Mise en équation du circuit de puissance avec 2 IGBTs en parallèle ... 88
4.3. Mise en relation des circuits de puissance et commande : la fonction objectif ... 90
4.4. Tentative de validation de la fonction objectif: optimisation mathématique ... 91
4.5. Paramétrage de la carte distribution ... 95
4.6. Optimisation de la carte distribution : pilotage de la géométrie des pistes ... 96
4.7. Conclusion ... 100
4.8. Références bibliographiques ... 102
Chapitre 5. Conclusion et synthèse de la méthodologie proposée ... 103
Annexes ... 109
Annexe A. Evaluation des impédances parasites des bus barres du convertisseur ONIX 671 ... 111
A.1. Les bus bars des condensateurs de filtrage ... 111
A.2. Impédance des bus barres DC et condensateur de découplage ... 114
A.3. Impédance des packs et bus de phase ... 115
Annexe B. Schéma équivalent d’un MOS et sa configuration depuis une datasheet ... 117
B.1. Configuration des capacités Cds, Cgs, Cgd ... 117
B.2. Configuration de la résistance Rds ... 119
B.3. Configuration de la transconductance ... 120
B.4. Configuration de la résistance de grille ... 121
11
Chapitre 1. Introduction générale et Etat
de l’art : la chaîne de traction
12
Chapitre 1. Introduction générale et Etat de l’art : la chaîne de traction
Table des matières
1.1. Les systèmes ferroviaires ... 13
1.2. L’évolution du système ferroviaire ... 14
1.3. Les catégories des engins de traction ... 17
1.4. Les systèmes d’alimentation de tension ... 18
1.5. Les composants semi-conducteurs ... 20
1.5.1. L’IGBT à silicium : la technologie utilisée aujourd’hui dans le ferroviaire ... 21
1.5.2. Le MOSFET à Carbure de Silicium dans le domaine ferroviaire ... 23
1.6. Les convertisseurs de puissance ... 25
1.7. Contexte de la thèse ... 26
1.8. Conclusion ... 29
1.9. Références bibliographiques ... 31
13
1.1. Les systèmes ferroviaires
Les premières voies ferrées ont été construites dans des mines au 16
ièmesiècle. Le rail a un avantage énergétique important par rapport à la route et aujourd’hui le transport ferroviaire représente 2,5% d'énergie consommée en France pour 10% de passager/kilomètres parcourus. Par rapport à la voiture et l'avion, le ferroviaire est ainsi non seulement plus économique en terme d'énergie, mais surtout beaucoup moins polluant. Le Tableau 1.1 présente un exemple réel comparatif entre un trajet Paris-Marseille en voiture et TGV. La consommation par passager qui voyage en TGV correspond à 34% de la consommation d’un passager en voiture. [1]
Tableau 1.1. Comparaison entre le trajet Paris-Marseille en voiture et TGV. Source : [1]
Un autre avantage significatif du transport ferroviaire par rapport à la route est la sécurité et le confort des passagers pour des temps de parcours plus faibles. Ces avantages étaient plus marqués au début du 20
ièmesiècle qu'aujourd'hui et c’est une possible raison de la réduction de kilomètres de voies ferrées. En effet, aujourd’hui il y a 30 000 km de voies ferrées en France alors qu’il y en avait 60 000 km en 1900.
Le système ferroviaire doit satisfaire un certain nombre de contraintes pour garantir les prestations d’un point de vue sécurité et commercial. Les transports ferroviaires évoluent dans un contexte de concurrence et la recherche vise à améliorer la démarche du cycle de vie (“ Life Cycle Cost - LCC ”) relative aux coûts d’acquisition, d’énergie, de maintenance, de recyclage et de destruction. Ces évolutions transforment radicalement le chemin de fer tel qu’il a vécu durant un siècle en situation de monopole.
Le chemin de fer représente dans le monde plus de 800 000 km de voies ferrées en 2019, dont
plus de 346 000 km en Europe, et près de 30 000 km exploités en France. La répartition par continents
est présentée sur la Fig. 1.1 [2]. Cependant, la Fig. 1.2 montre que même ayant plus de voies ferrées,
l’Europe n’a pas une forte exploitation du transport ferroviaire. L’Amérique (notamment les Etats-Unis)
utilise ses voies de manière stratégique pour les frets et l’Asie (notamment la Chine et l’Inde) est le
continent qui transporte le plus de passagers dans le monde. Le transport du fret répond à un plan
d’adaptation dans les pays fortement industrialisés car à partir de l’infrastructure existante le transport
via le chemin de fer devient économe en énergie et apte au transport de masse.
14
Fig. 1.1. Longueur des lignes de chemin de fer dans les différents continents. Source : [2]
Fig. 1.2. La tonne-kilomètre (tonne.kilimeters) est une unité de mesure de quantité de transport correspondant au transport d'une tonne sur un kilomètre. Le voyageur-kilomètre (passenger.kilometres) est une unité de mesure de quantité de transport correspondant au transport d'une personne sur un kilomètre. Source : [2]
1.2. L’évolution du système ferroviaire
L’évolution de la traction ferroviaire est liée aux grandes innovations de chaque époque de l’histoire : la machine à vapeur vers 1800, la traction électrique dans les années 1880, et enfin l'électronique de puissance à partir de 1970.
La machine à vapeur a été la première innovation pour le développement des premiers trains utilisés dans les mines. A partir de 1830, la construction de voies ferrées pour le transport des passagers et des marchandises a eu lieu. L’investissement sur ce nouveau moyen de transport était intense et le réseau ferroviaire était en forte progression (Fig. 1.3). En 1879, un petit train électrique de SIEMENS et HALSKE présenté à l’exposition industrielle de Berlin a révolutionné le système ferroviaire (Fig. 1.4) et en 1881 le premier tramway électrique a été mis en service à Berlin.
Les transports urbains ont bénéficié de la traction électrique avant la “ grande ligne ” car le
transport à traction animale posait déjà des problèmes de pollution et les puissances relativement
faibles (l’électrotechnique de l’époque étant encore limitée vis-à-vis de la vapeur capable de vitesses
élevées et d’efforts de traction importants). En France, la première ligne électrique arrive à Paris le 14
juillet 1900. [1]
15
Fig. 1.3. Evolution du chemin de fer en France entre 1837 et 1875. Source : [1]
Fig. 1.4. Premier train électrique présenté en 1879 à Berlin par SIEMENS. Source : [1]
Due à l'absence de convertisseurs de puissance commandés, le système de traction électrique était limité au niveau de l’alimentation des moteurs et du réglage du couple. Le couple peut être réglé par des résistances variables quand la tension d’alimentation est basse (tension continue entre 600V et 3kV). A partir d'une tension monophasée haute (entre 12kV et 15kV), l’autotransformateur variable permet d'attaquer directement le moteur par une tension monophasée réduite. [3]
Fig. 1.5. Principe d'une chaîne de traction ancienne à tension continue (à gauche) et à tension monophasée (à droite). Source : [3]
La tension continue avait l’avantage de pouvoir être indépendante du réseau industriel triphasé et d’avoir une masse embarquée plus faible (due à l’absence d’un transformateur).
Cependant, les pertes et la chaleur à évacuer étaient importantes en raison de la puissance perdue
dans les rhéostats. Dans le cas de la tension monophasée, le bon fonctionnement du moteur direct
16
nécessitait d'utiliser des basses fréquences pour faciliter la commutation (de 16,66Hz à 25Hz) difficiles à obtenir à partir du réseau industriel de 50Hz.
Avec les premiers redresseurs embarqués, en 1950 les trains grandes lignes peuvent être alimentés avec une tension monophasée à la fréquence industrielle de 50Hz, une solution qui combine les avantages des architectures précédentes (Fig. 1.6.). Les diodes du schéma étaient initialement des ignitrons à vapeur de mercure. Les grandes lignes adoptent donc l’alimentation à tension de 25kV à 50Hz avec l'avantage d'un nombre de sous-stations réduites.
Fig. 1.6. Principe d'une chaîne de traction ancienne à tension monophasée et redresseur. Source : [3]
A partir de 1970, les interrupteurs commandés et le développement de l'électronique de puissance vont permettre un contrôle plus fin du couple et de la tension (par un redresseur commandé sous caténaire monophasée ou par un hacheur sous caténaire continue). A partir de 1980, différentes technologies de moteur ont été utilisées grâces à l’évolution de l’électronique de puissance. Les premiers schémas de puissance à thyristors étaient complexes et conduisait à des convertisseurs lourds et encombrants. L'utilisation des transistors GTO puis des IGBT a considérablement simplifié les convertisseurs qui sont également devenus de plus en plus compacts et légers. La qualité de la tension fournie, les appels des harmoniques de courant au réseau et le facteur de puissance ont été améliorés grâce aux onduleurs à IGBT [3]. Les IGBTs restent jusqu’à aujourd’hui les composants les plus utilisés dans le domaine ferroviaire. Les détails de son fonctionnement sont abordés dans la section 1.6 de ce chapitre.
Fig. 1.7. Schéma électrique d'une chaîne de traction alimentée en 2 tensions (monophasée 25kV-50Hz et continue 1,5kV).
Source : [3]
17
Tableau 1.2. Evolution des composants, moteurs et alimentations entre 1880 et 2010. Source : [1]
Aujourd’hui les évolutions de la chaîne de traction ne s'arrêtent toujours pas, et sont régies par la volonté d’être la plus légère, la moins volumineuse et la plus performante possible. Les convertisseurs de puissances cherchent donc à être toujours plus optimisés, en introduisant notamment de nouvelles technologies permet des gains significatifs en terme de masse et de volume, comme les semi-conducteurs en carbure de Silicium (SiC) qui seront abordés dans la suite de ce chapitre.
1.3. Les catégories des engins de traction
Les engins de traction peuvent être répartis en trois catégories différentes :
Liaisons interurbaines : transport de marchandises (locomotives) ou de voyageurs (train à très grande vitesse TGV et AGV) au niveau de la ville, du pays ou du continent.
Liaisons suburbaines : trains régionaux (Electrical Multiple Unit – EMU, plus connu comme Train Express Regional – TER).
Liaisons urbaines : transport dans une ville (bus, trolleys, tramways et métros).
Le dimensionnement de la chaîne de traction doit évidemment répondre au parcours défini
par le client. Cependant les niveaux des tensions d’alimentation des réseaux de traction ainsi que le
gabarit du train sont définis par des normes françaises et européennes. Le Tableau 1.3 présente les
niveaux de tension d’alimentation, les systèmes de refroidissement et un ordre de grandeur de la
puissance par motrice de chaque catégorie de traction. [1]
18
Tableau 1.3. Niveaux de tension d’alimentation et ordre de grandeur de la puissance par motrice de chaque catégorie de traction. (Electrical Multiple Unit : EMU ; High Speed Train : HST ; Locomotive : Loco) Source : [1]
1.4. Les systèmes d’alimentation de tension
Les systèmes d’alimentation peuvent être en tension continue ou alternatif (monophasée). La tension continue est utilisée dans les réseaux urbains (600V-750V) et pour certaines grandes lignes sous une tension de 1,5kV-3kV. La tension continue se prête mal aux valeurs élevées car la coupure de l’arc est très difficile à effectuer en cas de court-circuit. L’adaptation de la tension vers le système ferroviaire est faite via des sous-stations. Dans le cas d’alimentation à tension continue, la sous-station est donc présente pour d’abord abaisser la très haute tension alternative provenant du réseau d’énergie (63 ou 90kV) puis ensuite pour la convertir en tension continue (redresseurs). La Fig. 1.8 présente un exemple d’un schéma d’alimentation en tension continue. Afin de minimiser les chutes de tension élevées (et par conséquence les pertes) il est nécessaire d’avoir un nombre élevé de sous- stations (une tous les 2 à 15km de voies ferrées).
Fig. 1.8. Exemple de schéma d’alimentation en tension continue de 1,5kV. Source : [1]
En courant alternatif, l’alimentation peut s’effectuer sous tension plus élevée qu’en continu
(15kV à la fréquence de 16,6Hz 2/3 et 25kV à 50Hz ou 60Hz) du fait des distances d’isolement plus
facile à mettre en œuvre. La fréquence de 16,6Hz 2/3 a été proposée par deux grands Ingénieurs
19
suisses, Huber-Stockar et Behn-Eschenburg, en 1905. A cette époque les grands réseaux de distribution n’existent pas ou peu et le chemin de fer produisait sa propre énergie électrique. Ainsi la tension et la fréquence d’alimentation ont été choisies en fonction des contraintes ferroviaires compatibles avec le moteur à collecteur fonctionnant en moteur universel. Dans ce cas, le réseau ferroviaire possède leurs centrales ou des centrales intermédiaires convertissant la fréquence du réseau général.
L’alimentation à tension monophasée à 50Hz a été une initiative française beaucoup utilisée aujourd’hui dans les nouvelles électrifications des voies ferrées dû à la praticité de pouvoir utiliser les réseaux industriels (le réseau ferroviaire est ainsi un client du réseau général). A partir d'une ligne très haute tension du réseau général, chaque sous-station comprend une double alimentation haute tension, pouvant être isolée l'une par rapport à l'autre par un jeu de sectionneurs (Fig. 1.9).
Fig. 1.9. Exemple de schéma d'alimentation en 25kV monophasé. Source : [1]
La Fig. 1.10 présente les différents niveaux des tensions utilisés en Europe.
Fig. 1.10. Niveaux de tension d'alimentation des lignes ferroviaires en Europe. Source : [4]
20
1.5. Les composants semi-conducteurs
Depuis les années 1970, les semi-conducteurs de puissance ont évolués et différents types sont apparus : tout d’abord les diodes, puis les thyristors, dans les années 80 les thyristors GTO et les IGBTs à partir de 1985. Aujourd’hui la majorité de convertisseurs du secteur ferroviaire utilise les IGBTs. Les calibres en courant et en tension ont aussi évolué au cours des années comme cela est montré sur la Fig. 1.11. [5]
Les thyristors sont des composants semi-conducteurs qui peuvent être commandés à la fermeture (passage à l'état conducteur). Pour bloquer un thyristor qui est à l'état conducteur, il faut utiliser un circuit extérieur (commutation naturelle ou commutation forcée). En commutation naturelle, soit une annulation du courant soit une inversion de la tension aux bornes du thyristor permet de l’ouvrir, cette tension est une évolution naturelle du circuit extérieur (non commandée) ; en commutation forcée, un second thyristor permet la décharge d'une capacité à travers la cathode du premier thyristor faisant apparaitre une tension négative et ainsi rendant possible l’ouverture du thyristor. Des thyristors lents sont utilisés dans les ponts redresseurs contrôlés fonctionnant sur le réseau 50/60Hz en commutation naturelle et faibles dI/dt. Les thyristors rapides sont utilisés dans les hacheurs et onduleurs en commutation forcée et forts dI/dt et dV/dt.
Les GTOs sont des thyristors blocables par une gâchette qui permettent d’avoir un gros avantage par rapport au thyristor classique : le GTO peut être commandé à la fermeture (passage à l'état conducteur) et à l'ouverture (passage à l'état bloqué) sans aucun circuit externe supplémentaire.
Cependant la commande est complexe (courant de gâchette très élevé).
L’IGBT est un semi-conducteur composé d’un MOSFET (transistor à effet de champ) en entrée et d’un transistor bipolaire en sortie. Il est commandé par une tension appliquée entre la grille et l’émetteur et ses caractéristiques de conduction entre le collecteur et l’émetteur sont identiques à celles d’un transistor bipolaire. L’avantage de l’IGBT est que c’est un composant qui associe des avantages du MOSFET et du transistor bipolaire : commande en tension et rapidité de commutation.
Cependant le courant de queue limite tout de même sa rapidité de commutation. La structure et le fonctionnement de l’IGBT sont présentés dans la suite.
Enfin dans les années 2010, les composants à base de carbure de silicium commencent à
émerger dans le marché. Le MOSFET en silicium (Si) étant limité à une tenue en tension de l’ordre du
kilovolt, au-delà de ce niveau de tension sa résistance à l’état passant est trop importante. Le carbure
de silicium (SiC) permet de repousser cette limite en tension avec une résistance à l’état passant plus
faible qu’avec le composant en Si. Due à sa rapidité importante, le MOSFET SiC rend possible
l’augmentation de la fréquence de commutation, la réduction des pertes du convertisseur ainsi que sa
tenue en température plus élevées. [6] Pour ces raisons, le MOSFET SiC est le composant qui semble
être le plus prometteur pour remplacer les IGBTs en Si.
21
Fig. 1.11. Evolution des semi-conducteurs de puissance appliqués dans le domaine ferroviaire. Source : [5]
1.5.1. L’IGBT à silicium : la technologie utilisée aujourd’hui dans le ferroviaire
Le Transistor Bipolaire à Grille Isolée (IGBT) est l’association monolithique d’un composant bipolaire (BJT) et d’un composant unipolaire à effet de champ (MOSFET). La structure de l’IGBT est composée par des émetteurs P+, des émetteurs N+, une base de type N-, un caisson de type P et une section MOS comme montré sur la Fig. 1.12 (à droite). La base centrale de type N- participe à la tenue en tension à cause de sa profondeur et de son faible dopage. Les émetteurs P+ et N+ ont la fonction d’injecter des porteurs dans la zone centrale N-. La section MOS permet de créer un chemin entre l’émetteur N+ et la zone centrale N-. L’ensemble des régions constituent des transistors bipolaires PNP et NPN (parasite), une résistance Rp et une section MOSFET. [8]
Fig. 1.12. Schéma équivalent d'un IGBT (à gauche) et sa structure (à droite). Source : [1]
Dans le domaine ferroviaire, les IGBTs sont utilisés sous forme de "packs". La taille du pack IGBT dépend de la mise en parallèle de puces selon son calibre en courant. Le boitier du pack peut contenir un seul interrupteur de puissance (single pack) ou bien une association des interrupteurs comme un bras de commutation (dual pack), trois bras de commutation (sixpack), un bras hacheur avec un IGBT et une diode (chopper). Quelques exemples des boitiers d’IGBT sont présentés sur la Fig.
1.13.
22
Fig. 1.13. Exemples de boitier IGBT. Source : [1]
Le niveau de tension sur le bus continu va déterminer le calibre en tension du boitier IGBT.
Dans un premier temps, le composant doit respecter l’aire de sécurité (relation tension/courant à respecter, SOA Safe Operating Area) définie par le constructeur du pack IGBT (Fig. 1.14). Le deuxième critère consiste à évaluer le ratio (
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑢 𝑏𝑢𝑠 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝐶𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑛 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑢 𝑝𝑎𝑐𝑘
) qui correspond à la sensibilité du composant aux rayons cosmiques, « LTDS » (Long Term Direct Stability, liée à l’altitude, calibre en tension du boitier, présence de défauts cristallins). Lorsque le calibre en tension augmente le risque d’avoir une avalanche localisée dans le composant causée par un bombardement de rayons cosmiques augmente aussi. Afin de limiter ces risques, chez Alstom la valeur de sensibilité du composant aux rayons cosmiques est limitée à 0,55 pour un pack à silicium. [3] Concernant l’aspect thermique, les contraintes de dimensionnement consistent à ne pas dépasser 125°C jonction (fatigue du silicium) et à limiter le cycle thermique de la jonction à 30/40°C (fatigue des bondings).
Fig. 1.14. Aires de sécurité de l'IGBT (à gauche) et de la diode (à droite). Source : [7]
1700V – 2x800A 3300V – 1200A
6500V – 200A/400A/600A
23
1.5.2. Le MOSFET à Carbure de Silicium dans le domaine ferroviaire
Le Carbure de Silicium (SiC) est un semi-conducteur à grand gap comme le diamant (C) et le Nitrure de Gallium (GaN). Sa bande interdite (entre la bande de conduction et la bande de valence) est plus grande que celle du Silicium (Si) ce que permet au SiC d’être moins sensible à la température et avoir moins de courant de fuite à des températures élevées. Dans [8], l’auteur compare les facteurs de mérite des différents matériaux (semi-conducteurs classiques : le Silicium, Si, et l’Arséniure de Galium, GaAs ; semi-conducteurs grand-gap : trois polytypes de Carbure de Silicium,3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, le Nitrure de Gallium, GaN, et le diamant, C). Le diamant et le GaN présentent des meilleures performances dans les différents critères (bande interdite, rigidité diélectrique, coefficient thermique, mobilité des porteurs) cependant les difficultés d’exploitation (pour le diamant) et la difficulté d’obtenir des hautes tenues en tension (pour le GaN) rendent ces deux matériaux beaucoup moins intéressants que le SiC pour le domaine ferroviaire. C’est bien une contrainte technologique qui met le SiC en avant : il présente le meilleur compromis et la meilleure maturité pour les applications ferroviaires par rapport aux autres matériaux à grand-gap.
Le carbure de silicium se distingue du silicium par sa capacité à supporter des niveaux de tension et de courant élevés tout en limitant les pertes en conduction et en commutation. De plus, ces matériaux présentent des propriétés physiques qui permettent un fonctionnement à haute température et donc il rend possible la réalisation de composants de haute puissance fonctionnant dans des conditions environnementales sévères. Le SiC présente une conductivité thermique environ trois fois supérieure (4.9 W/cm·K) au Si (1.5 W/cm·K), une résistance électrique intrinsèque (MOSFET) beaucoup plus faible (0.3 mΩ·cm2) par rapport à celle du Si (400 mΩ·cm2) à température ambiante et 1200 V de tension de claquage.
Le développement des composants à base de SiC a longtemps été limité par les défis technologiques sur l’élimination des défauts, tels que des problèmes de dislocation et des
"micropipes" (défaut cristallographique dans un substrat monocristallin) qui limitent la capacité de blocage des composants SiC à tension élevée. Cependant c'est un composant qui atteint une bonne maturité industrielle qui permet aujourd'hui d'envisager son utilisation en ferroviaire. L’une des raisons pour lesquelles le MOSFET SiC est un des composants privilégiés pour les applications industrielles est la simplicité de son driver qui reste très proche d’un driver classique de MOSFET Si.
Aujourd’hui le composant le plus adapté pour l’application ferroviaire a été développée par Mitsubishi en 2017 (SiC MOSFET dual pack de 3300V-750A).
Le MOSFET est un transistor à effet de champ à grille isolée, unipolaire (il fait appel à un seul type de porteurs de charge) et la tension appliquée entre la grille et la source permet de contrôler le courant circulant entre le drain et la source. La Fig. 1.15 présente une coupe d’un MOSFET. Lorsque la tension entre la grille et la source est suffisamment importante, le champ électrique dans le corps permet le passage d'électrons : le NFET (MOSFET canal P) conduit. Le PFET (MOSFET canal P) est conçu exactement de la même manière avec les polarisations inversées (dopage de P et N), et donc les trous qui conduisent.
La Fig. 1.16 compare les coupes d’un MOSFET Si et un MOSFET SiC. Le carbure de silicium (SiC)
permet une tenue en tension plus élevée avec une résistance à l’état passant plus faible qu’avec le
composant en Si.
24
Tableau 1.4. MOSFETs SiC et hybrides disponibles aujourd’hui développé par Mitsubishi et ses applications. Source : [10]
Fig. 1.15. Coupe d’un MOSFET canal P (NFET). Source : [9]
Fig. 1.16. Coupes des MOSFET en silicium (à gauche) et en carbure de silicium (à droite). Le carbure de silicium permet une réduction de la résistance à l’état passant et une tenue en tension plus élevée. Source : [10]
25
L’intérêt d’utiliser le Carbure de Silicium dans le domaine ferroviaire est évalué depuis les années 2000 et plusieurs études ont été réalisées sur ce sujet. Le Carbure de Silicium permet théoriquement d’augmenter le nombre de périodes de découpage par période électrique (en augmentant la fréquence de découpage et aussi de réduire les pertes en commutation) en gardant un bon fonctionnement à des températures plus élevées (le principal motif de casse des semiconducteurs dans le ferroviaire c’est leur utilisation à des hautes températures). Cependant, la mise en œuvre de ces composants modernes qui commutent très rapidement remet en cause les technologies et les méthodes de conception dont on pouvait se satisfaire jusqu'à maintenant avec des vitesses de commutations dix fois moindre (les semi-conducteurs classiques sont utilisés aujourd’hui à des températures qui varient de -40°C à 100°C et à une vitesse de commutation de 1,5 kHz). Ce sera le point central de ce manuscrit, qui présentera comment tirer parti de ces composants rapides, en terme de réduction du volume des composants passifs (condensateurs de découplage), tout en résolvant les différents enjeux autour des interconnexions, qui modifient fortement l'équilibrage dynamique des courants dans les composants actifs en parallèle.
Depuis 2017, Mitsubishi commercialise un full SiC MOSFET dual pack de 3300V-750A (FMF750DC-66A, Fig. 1.17) qui a été utilisé dans un convertisseur de puissance d’Alstom. [10]
Aujourd’hui ce convertisseur (onduleur triphasé + bras rhéostatique) est en phase de test dans la ligne 5 du métro de São Paulo au Brésil. Il s'agit d'une application sous un bus continu de 1500V. A noter que pour le moment, il ne s'agit que d'une phase de test et que la conception du convertisseur n'a pas été repensée en fonction de ce composant (par exemple la fréquence de découpage max reste à 1600Hz). Le composant IGBT a simplement été remplacé par un MOSFET SiC, dont les performances ne sont pas exploitées à leur maximum.
Fig. 1.17. Mitsubushi full SiC dual pack de 3300V-750A. Source : [10]
1.6. Les convertisseurs de puissance
L’apparition des interrupteurs électroniques a permis le développement de différentes architectures de conversion de l’énergie. Dans le système ferroviaire, comme montré dans la section 1.4, il est nécessaire d’adapter la tension provenant du réseau d’énergie. Les principaux convertisseurs utilisés sont : les onduleurs, les hacheurs et les redresseurs PMCF (Pont Monophasé à Commutation Forcée). Aujourd’hui la majorité de convertisseurs du secteur ferroviaire utilise les IGBTs, cependant le MOSFET SiC est un substitut prometteur dû aux avantages présentés dans la section précédente.
L’onduleur procède à la conversion de la tension continue en tension alternative et alimente
le moteur asynchrone par des tensions triphasées d’amplitude et de fréquence variables pour réguler
le couple moteur en traction et en freinage électrique. En outre, l’onduleur permet aussi de minimiser
certains harmoniques de courant et d’améliorer le facteur de puissance. Le hacheur limite la tension
du bus DC intermédiaire à l’entrée de l’onduleur en freinage rhéostatique et en traction. Les
redresseurs sont des convertisseurs d’entrée qui régulent la tension du bus intermédiaire en traction
26
ou en freinage par récupération, régulent la puissance réactive prise au réseau et minimisent les harmoniques de courant renvoyés dans la caténaire. La Fig. 1.18 présente le schéma d’un TGV-R alimenté en 25kV AC (en haut) et en 3kV DC (en bas).
Fig. 1.18. Schéma électrique d'alimentation de la traction d'un TGV-R en 25kV monophasé (redresseur + onduleur, en haut) et en 3kV continue (hacheur + onduleur, en bas). Source : [1]
1.7. Contexte de la thèse
Dans le cadre du programme européen “Shift2rail” [11], la société ALSTOM vise à mettre en place un démonstrateur de chaîne de traction à base de MOSFET SiC. Deux problématiques principales sont engendrées par cette rupture technologique :
Quels seront les gains au niveau système du passage à cette technologie qui, si elle offre
des avantages en terme de pertes et de capacité à découper à plus haute fréquence, est
nécessairement plus coûteuse que les technologies bien établies et matures que sont les
IGBT Silicium ?
27
Comment mettre en œuvre des semi-conducteurs dont les vitesses de commutation vont changer d'un ordre de grandeur vis-à-vis de l'état de l'art, c’est-à-dire potentiellement avoisiner la dizaine de kA/µs ?
C'est sur ce deuxième aspect que vont porter les travaux de cette thèse, en montrant de plus tout l'intérêt d'une approche résolument orientée vers la simulation et l'optimisation. En effet la société ALSTOM développe depuis 30 ans une très forte expertise dans l'usage des outils de simulation pour l'électronique de puissance afin de caractériser les composants et leur environnement immédiat avant la fabrication. Les outils informatiques de simulation multi physique ont beaucoup progressé et permettent aujourd'hui une véritable chaîne de CAO, allant de la conception mécanique jusqu'à la simulation électrique complète, que ce soit au niveau fonctionnel comme au niveau de l'étude fine des commutations. ALSTOM a fait le choix d'entrer dans une suite logicielle développée par Ansys, qui regroupe, outre des simulateurs mécanique, thermique et électromagnétiques, un solveur électromagnétique spécifiquement basé sur la méthode PEEC [12] (Q3D [13]), un simulateur de circuit (Simplorer [14]) doté de langages de description (VHDLAMS, SML) permettant de créer ses propres modèles. L'expertise accumulée par les ingénieurs ALSTOM permet aujourd'hui de reproduire avec une bonne précision en simulation les phénomènes de commutation rencontrés dans les chaînes de traction. Cependant le désir est maintenant d'aller plus loin que la simple validation d'une solution via la simulation. L'enjeu est d'effectuer la conception via une méthodologie se basant sur des stratégies d'optimisation utilisant ces outils. En effet les implantations tridimensionnelles des composants pour réaliser les structures de conversion ont déjà mis en évidence certains défauts structurels comme des problèmes d'équilibrage des courants en dynamiques lors des commutations, qui conduisent à devoir sur dimensionner ces composants : ces phénomènes seront clairement amplifiés avec l'usage de semi- conducteurs aussi rapides que les MOSFETs SiC. Les optimisations seront réalisées à l'aide d'un outil propre développé par ALSTOM, RSM Launcher, qui permet de piloter divers logiciels au sein d'un algorithme génétique.
Par ailleurs, des règles de dimensionnement usuelles issues de dizaines d'années d'expériences peuvent se retrouver inefficaces voire contre-productives face à cette rupture technologique que constitue l'emploi de semi-conducteurs à grand gap. Dans cette thèse, nous aborderons le dimensionnement d'un condensateur de découplage.
L’analyse de tous ces phénomènes au sein d’un convertisseur complexe de moyenne puissance
(comme ceux utilisés dans les trains régionaux) n’est pas évidente vu le nombre des composants et la
manière comme ils sont assemblés. Modéliser l’ensemble des connectiques (bus bars DC, bus bar de
phase, bus bars de liaisons) et composants (condensateurs de filtrage, semi-conducteurs,
condensateurs de découplage) en prenant en compte leur impact lors de la commutation des semi-
conducteurs, notamment dû aux impédances parasites, est essentiel lors de l’analyse et de
l’optimisation d’un système complexe. La Fig. 1.19 présente un exemple de convertisseur de puissance
d’Alstom, l’ONIX 671 (deux versions disponibles : onduleur triphasé forte puissance 1.7kV / 1200A avec
3 pack IGBT en parallèle par phase ; onduleur triphasé moyenne puissance 1.7kV / 800A avec 2 pack
IGBT en parallèle par phase ), et son schéma électrique équivalent sur la Fig. 1.20. A l’entrée DC de
l’onduleur (points HT+ et HT-), des condensateurs chimiques de filtrage sont mis en parallèle (total de
60 mF) ; des condensateurs découplage sont aussi utilisés, 376µF par 2 bras d’onduleur (plus de détails
dans le prochain chapitre). Ce convertisseur utilisant des technologies standard à IGBT (Mitsubishi
CM1200DC-34S) avait déjà mis en exergue les problèmes évoqués précédemment, et c'est donc tout
naturellement qu'il s'est trouvé candidat à une illustration pour la mise en place d'une méthodologie
de conception par optimisation.
28
Fig. 1.19. Onduleur triphasé d’Alstom ONIX 67, 1.7kV / 1200A. Le convertisseur est composé par 4 bus bars d'alimentation DC (2 pour 2 phases), 8 condensateurs de découplage et 12 modules de puissance dual pack IGBT 1,7kV / 1200A (3 par phase).
GDX62 U
GDX62 V
GDX62 W
8xCd=47µF
U.H1U.B1 U.H2 U.H3
U.B2 U.B3
U
V.H1V.B1 V.H2 V.H3
V.B2 V.B3
HT-2 V
I- I_Phase U I_Phase V
2xRd=270K
U.3 U.2
U.1 V.1 V.2 V.3
DI671 DI671 ThermistanceTHU Thermostat CTC1
Connecteur 36 pts BT
Connecteur 18 pts BT
W.H1W.B1 W.H2 W.H3
W.B2 W.B3
W
I_Phase W
8xCd=47µF
W.1 W.2 W.3
DI671 RC.H1 RC.H2
RC
I_Phase RC RC.1
Thermostat CTC2 RC.H3
RC.B2 RC.B3
GDX62 RC
2xRd=270K RC.B1
RC.2 RC.3
HT+2
I+
HT-1
I-
HT+1
I+
Ground
Thermistance THI DI671
Fig. 1.20. Schéma électrique équivalent de la phase W et phase rhéostatique de l'onduleur triphasé ONIX 671 de la Fig. 1.19.
29
Dans les chapitres suivants, une méthodologie de conception basée sur la technologie actuelle (IGBT Si) du système de traction est présentée. Le but de ce travail est d’avoir des méthodes qui permettront alors de s’adapter plus facilement aux nouvelles contraintes imposées par des vitesses de commutations bien plus rapides. Dans le chapitre 2, une étude détaillée de la cellule de commutation est présentée, afin d'analyser comment dimensionner de manière optimale le condensateur de découplage à intégrer au plus près de la cellule de commutation. A partir d'analyses fréquentielles et temporelles, nous montreront comment améliorer le choix de ce composant clé du circuit de puissance, souvent dimensionné empiriquement et à l'aide de retour d’expérience.
Une deuxième problématique clé constatée lors de la mise en parallèle des interrupteurs de puissance est l’équilibrage dynamique des courants entre les semi-conducteurs. L'origine de ces déséquilibres est à la fois due aux interconnexions de puissance, mais également aux interactions entre le circuit de puissance et la commande ("driver"). Le chapitre 3 présentera en détails l’analyse de ces interactions pour identifier leurs impacts sur l’équilibrage des courants.
Cette étude nous amènera à mettre en œuvre une optimisation pour rendre la répartition des courants la plus équilibrée possible en modifiant la géométrie des circuits de grilles et d’émetteurs. Ce travail sera décrit dans le chapitre 4.
Il est à noter que dans toute notre étude, nous sommes partis de la contrainte industrielle très forte de ne pas modifier le "pack", en considérant que la responsabilité du routage interne des modules de puissance commercialisés n’était pas du ressort de l'intégrateur Alstom. Il a donc été particulièrement important de se focaliser sur le développement des implantations des circuits de commande, l'architecture de la structure de puissance étant quasiment imposée par la forme des modules utilisés.
Cependant l'approche générique proposée s'appliquerait tout à fait à une intégration plus large où des degrés de liberté seraient laissés sur la conception du module de puissance, en intégrant par exemple les capacités de découplage. Cette méthodologie générique de conception sera résumée au chapitre 5, et les conclusions et perspectives du travail réalisé seront présentées.
1.8. Conclusion
La traction ferroviaire a bien évolué dans le temps et suit les avancées des technologies (en subissant leurs limitations). Etant moins polluant et plus rapides que les transports routiers, le système ferroviaire est stratégique dans plusieurs pays comme les Etats-Unis, la Chine et l’Inde. Dans ce chapitre, le contexte de cette thèse a été présenté : l’impact des évolutions technologiques au cours du temps, les types de convertisseur les plus utilisés dans le domaine ferroviaire, les niveaux de tension des différents matériaux roulants, les semi-conducteurs et finalement un fort intérêt autour du Carbure de Silicium.
A partir de 1985, l’IGBT à Silicium a apporté des améliorations significatives dans le domaine
ferroviaire : dû à sa maturité technologique et l’avance de l’électronique de puissance, les schémas
sont devenus plus simples, l’intégration plus compacte et les composants disponibles dans le
commerce. En revanche, les pertes globales lors de son fonctionnement (et bien entendu son
échauffement) exigent de lourds systèmes de refroidissement (ce qui limite la fiabilité de la chaîne de
traction). La fréquence de découpage maximale du module de puissance est donc limitée par le semi-
conducteur et les éléments passifs d’où l’intérêt d’avoir les composants les plus performants
possibles : les caractéristiques du MOSFET SiC présentent donc des avantages par rapport à l’IGBT Si.
30
Cette thèse propose la mise en place d'une méthodologie de conception par optimisation de
l'implantation tridimensionnelle des convertisseurs de puissance. Cette méthodologie de conception
sera basée sur un exemple utilisant la technologie actuelle (IGBT Si), afin de la valider. Toutefois,
l'objectif court terme est bien de l'appliquer aux nouvelles technologies comme le carbure de silicium
(SiC), compte tenu de l'impact encore plus important de la technologie d'interconnexion en présence
de commutations dix fois plus rapides. Les optimisations proposées utiliseront des modèles spécifiques
et seront validées via de la simulation fine et des résultats expérimentaux.
31
1.9. Références bibliographiques
[1] Pierre Chapas. Formation Alstom : « Formation Chaîne de Traction ».
[2] Railway Statistics Synopsis. Disponible sur : https://uic.org/support-activities/statistics/#UIC- statistical-indicators
[3] Martin Cantegrel. « Vers une conception optimale des chaînes de traction ferroviaire ». Ecole Centrale de Lille, 2012.
[4] Railway Electrification system. Disponible sur :
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Europe_rail_electrification_en.s vg/800px-Europe_rail_electrification_en.svg.png
[5] Michel Piton. Formation Alstom : « IGBT pour la traction ferroviaire. »
[6] J. Fabre. « Etude et mise en œuvre de modules de puissance MOSFET SiC pour leurs futures utilisations dans des convertisseurs ferroviaires ». Université de Toulouse, 2013.
[7] High Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor HIGBT CM1200DC-24S Datasheet. Disponible sur:
http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/content/product/powermodule/hvigbt_ipm /s_series/cm1200dc-34s_e.pdf
[8] P. Leturcq. « Semi-conducteurs de puissance unipolaires et mixtes (partie 2). Technique de l’ingénieur, traité Génie électrique. » 2002.
[9] Transistor MOSFET. Disponible sur :
https://fr.wikiversity.org/wiki/Transistor/Transistor_MOSFET#Le_MOSFET_%C2%AB_canal_P_%
C2%BB_ou_PFET
[10] SiC Power Devices, Mitsubishi Electric. Disponible sur : http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/catalog/pdf/sicpowerdevices_e_201904.pdf [11] Shift2Rail Project. European Funding for Research & Innovation. Available from:
https://shift2rail.org/
[12] J.Roudet, E.Clavel, JM.Guichon, J.L.Schanen,"Modélisation PEEC des connexions dans les convertisseurs de puissance", Techniques de l'ingénieur, Mai 2004, pp D3071-1 à D3071-12 [13] Ansys Q3D Extractor. Disponible sur : https://www.ansys.com/fr-fr/products/electronics/ansys-
q3d-extractor
[14] ANSYS SIMPLORER. Disponible sur : https://www.ozeninc.com/products/electromagnetic/ansys-
simplorer/
32
33
Chapitre 2. La cellule de commutation
34
Chapitre 2. La cellule de commutation
Table des matières
2.1. Présentation de l’étude ... 35
2.2. Le modèle électromagnétique d'une cellule de commutation ... 37
2.3. Analyse fréquentielle de la surtension du semi-conducteur ... 44
2.4. Analyse temporelle de la surtension du semi-conducteur pour valider le modèle
proposé (banc expérimental faible puissance) ... 47
2.5. Analyse temporelle de la surtension du semi-conducteur pour valider le modèle
proposé (ONIX 671 d’Alstom forte puissance) ... 49
2.6. Définition de la capacité de découplage optimale... 56
2.6.1. Formulation de la méthode d’optimisation ... 56
2.6.2. Processus d’optimisation et sa fonction objectif ... 56
2.7. Analyse de sensibilité ... 57
2.8. Ajout d’une résistance en série avec le condensateur de découplage ... 61
2.9. Conclusion ... 65
2.10. Références bibliographiques ... 66
35
2.1. Présentation de l’étude
La conception de l'électronique de puissance doit respecter plusieurs contraintes générales et industrielles telles que la fiabilité, le coût, le volume, les pertes, etc. L’utilisation des composants "Wide Band Gap" comme le SiC permet a priori de réduire la masse par un meilleur dimensionnement du système. Cependant, étant données les vitesses de commutation bien plus élevées, les phénomènes de surtensions et d'oscillations lors de commutations des composants sont amplifiés, et la mise en œuvre de ces composants devient très délicate, et incompatible avec les réalisations traditionnelles.
Une analyse de l'ensemble de ces phénomènes est présentée dans ce chapitre.
Lors de la commutation d'un semi-conducteur, on note des surtensions transitoires et des oscillations haute fréquence dues aux inductances et capacités parasites, provenant des composants et des interconnexions. Ces surtensions limitent l'aire de sécurité des composants présentée au chapitre 1, ainsi que leur durée de vie. Des condensateurs de découplage permettent de compenser l'impact des inductances parasites entre la source de tension et les semi-conducteurs [2].
Comme indiqué au chapitre 1, l’industrie ferroviaire est intéressée par l’utilisation des composants Wide Band Gap (SiC) dans les applications de la chaîne de traction. Le projet européen
“Shift2rail” [1][11] investigue les possibles avantages de l’utilisation de MOSFET SiC dans les futurs convertisseurs, mais se focalise également sur les impacts potentiels sur la conception des modules.
Le condensateur de découplage devant être très proche de la cellule de commutation, sa valeur doit donc être minimisée afin de réduire son volume. C'est de plus un atout pour diminuer le volume, le poids et le coût du système entier.
Ce chapitre présente une étude détaillée des phénomènes impliqués lors des événements de commutation, comprenant les semi-conducteurs, les condensateurs de découplage, les condensateurs de filtrage du bus continu et toutes les inductances et résistances parasites dues au câblage. La Fig. 2.1 représente une cellule de commutation où Lbb, L_cond1, Lcond2 , Lcond3 et Lcond4 sont les inductances parasites dues au câblage ; R_cond1, Rcond2 , Rcond3 et Rcond4 sont les résistances parasites dues au câblage ; esl_filtre et esr_filtre l’inductance et résistance parasites du condensateur filtre ; esl_Cdec et esr_Cdec l’inductance et résistance parasites du condensateur de découplage ; esl_pack et esr_pack l’inductance et résistance parasites du boitier du semi-conducteur (MOSFET SiC ou IGBT). A noter que ces éléments parasites sont tous potentiellement couplés, mais que la représentation sur le schéma électrique n'en tient pas compte, pour ne pas alourdir la figure.
Fig. 2.1. Exemple d'une cellule de commutation.
36
La Fig. 2.2 présente une simplification de cette cellule de commutation, où les condensateurs de filtrage sont remplacés par une source de tension idéale au vu de leur forte valeur et des échelles de temps observées durant la commutation. La source continue Vbus de la Fig. 2.1 n'est pas supposée participer à la commutation compte tenu de la valeur supposée élevée de Lbb. Le condensateur de découplage Cdec et les semi-conducteurs (MOSFET, Diode) demeurent bien évidemment au cœur de ce modèle. Les inductances parasites et les résistances dues au montage et au boîtier des semi- conducteurs Lpack=Lcond2 conducteurs de la Fig. 2. sont alors associées comme suit dans la Fig. 2.2 [2]:
- R=Rcond3+esr_filtre+Rcond1
- L=Lcond3+esl_filtre+Lcond1 (en tenant compte des couplages éventuels) - Esr=Esr_Cdec+Rcond4
- Esl=Esl_Cdec+Lcond4 - Rpack=Rcond2+Esrpack
- Lpack=Lcond2+Eslpack (en tenant compte des couplages éventuels)
La tension transitoire à l'ouverture du composant commandé est présentée sur la Fig. 2.3 à partir de la simulation de la Fig. 2.2. Deux oscillations de fréquences différentes peuvent être identifiées : une oscillation à haute fréquence due à l’interaction entre le condensateur de sortie C
ossdu MOSFET, et l'inductance parasite de la cellule de commutation (Lpack+esl), et une oscillation plus basse fréquence provenant de l’interaction entre C
decet les inductances parasites (Lpack+L). Les deux oscillations affectent la valeur maximale de la tension sur le MOSFET (V
ds) à son ouverture et un des objectifs est de minimiser cette surtension.
Fig. 2.2. Exemple d’une cellule de commutation simple.
Low Frequency
ringing
High Frequency
ringing
