Contribution A L Etude De Convertisseurs Integres Pour La Traction Ferroviaire Hybride

Contribution à l'étude de convertisseurs intégrés pour la traction ferroviaire hybride

Contribution à l'identification et à l'estimation des contraintes de fatigue thermique des convertisseurs intégrés pour la traction électrique

Dans le cadre d'une étude de fiabilité menée sur des composants d'électronique de puissance destinés à la traction électrique, l'identification puis l'estimation des contraintes thermiques générées durant le fonctionnement sont très importantes. En effet, avec leur répétition au cours du temps, ces dernières induisent une fatigue thermique, dont la conséquence est une dégradation matérielle du composant. Ce phénomène conduit à une évolution des caractéristiques électriques et thermiques des modules de puissance et figure comme une des causes majeures de défaillances répertoriées pour la traction électrique où les contraintes de cyclage thermique sont sévères. Après avoir fait un état de l'art des composants utilisés dans la traction électrique et avoir posé les bases théoriques nécessaires à la compréhension et à la résolution de la problématique posée, nous nous sommes attachés à estimer la durée de vie de modules de puissances IGBT utilisés dans un véhicule hybride automobile. Ainsi, après un relevé, par une instrumentation originale avec fibres optiques, des températures de puces sur un véhicule en fonctionnement dans un trafic urbain, puis une identification des cycles thermiques par une méthode statistique de distribution de la température, nous avons mené des essais de cyclage thermique actif accéléré dans le but d'estimer la durée de vie de ces modules sous divers niveaux de contraintes. Enfin, grâce à une corrélation de ces deux essais, nous avons pu estimer la résistance que présentaient ces modules face à la répétition des contraintes thermiques générées et conforter ainsi le constructeur automobile dans son exigence de durée de vie. Finalement, nous nous sommes focalisés sur l'estimation des contraintes thermiques générées, dans un premier temps, dans les modules DUAL, à l'aide d'un modèle RC unidimensionnel. Puis dans un deuxième temps, avec l'utilisation d'un modèle mettant en évidence les interactions thermiques entre les puces, nous nous sommes confrontés au cas des convertisseurs intégrés multichip. Dans cette dernière étude, le modèle a été validé expérimentalement sur une chaîne de traction hybride et nous a permis d'obtenir les contraintes thermiques générées en conditions réelles de fonctionnement sur un profil de mission routier européen normalisé. Finalement, grâce à cette étude, nous avons montré l'éventail des possibilités offertes par cet outil dans la surveillance et la prédiction des contraintes thermiques générées durant le fonctionnement de convertisseurs de puissance intégrés.

Contribution à l'étude de la gradation de potentiel dans les modules de puissance haute tension

L'augmentation des densités de puissance dans le domaine de la traction ferroviaire conduit aujourd'hui au développement de convertisseurs intégrés. Cette intégration n'est toutefois possible que si l'on sait dimensionner au plus juste l'ensemble des éléments qui constitue ces convertisseurs. Du point de vue de l'isolation électrique, il est donc nécessaire d'avoir une caractérisation la plus large possible de l'ensemble des matériaux isolants utilisés dans le packaging des composants de puissance ainsi qu'une bonne compréhension de leurs mécanismes de défaillances. Ces points s'avèrent d'autant plus critiques que la réduction des dimensions d'une part et l'augmentation des calibres en tension des composants d'autre part se traduisent par des contraintes de plus en plus sévères. Répartir la contrainte électrique de façon homogène est donc d'un intérêt majeur lorsqu'il s'agit de maintenir l'intégrité de ces systèmes. Le travail présenté ici consiste en une étude approfondie des problématiques liées à la gradation et en la présentation de deux solutions de gradation du potentiel, l'une utilisant des matériaux hybrides et l'autre des lignes conductrices à potentiel flottant. Différents outils théoriques et pratiques ont été développés et utilisés. Un code de calcul par éléments finis (CEF) est utilisé afin de prédire la répartition de la contrainte (potentiel et champ électrique) dans une structure de test prédéfinie. L'influence de la réfraction des équipotentielles aux interfaces de différents diélectriques est ensuite étudiée. L'utilisation d'un matériau présentant une variation non - linéaire de sa caractéristique courant tension sur la répartition homogène du champ électrique est discutée et nous montrons qu'un tel comportement n'est pas une condition nécessaire pour obtenir une réduction satisfaisante du champ électrique. Différentes méthodes permettant de caractériser ce type de matériau à travers des mesures directes de la contrainte électrique par sonde à champ nulle et indirecte par des mesures de décharges partielles sont ainsi proposées. Enfin, la gradation du potentiel en utilisant des lignes métalliques inspirées des techniques de répartition par anneaux de garde ou plaque de champ est envisagée. Une optimisation de la structure d'étude par calcul CEF est d'abord réalisée, puis la caractérisation diélectrique à travers des mesures de décharges partielles et de rupture diélectrique confirme le bien fondé de cette approche.