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1 Lre le débu de la hèse

2 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» 57

3 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Sommare I Inroducon 59 I Fnalé des essas 59 I Caher des charges du banc de es, condons de fonconnemen e hypohèses de dépar 59 II Topologe e fonconnemen du conversseur «méhode d opposon» 60 II Présenaon de la méhode d opposon e srucure reenue 60 II Prncpe de fonconnemen 6 II3 Smulaons du conversseur sous le logcel PSIM 6 III Pré-dmensonnemen de la pare élecrque du banc d essa 64 I La commande numérque e les nerfaces avec le monage 65 Esmaon des peres dans les sem-conduceurs de pussance en fonconnemen onduleur MLI 66 Esmaon des peres par calcul 67 Esmaon des peres par la Méhode Elecrque 73 3 Esmaon des peres par la Méhode Calormérque 73 I Le sysème de refrodssemen des sem-conduceurs de pussance e la mse en œuvre des dfférenes mesures hermques 75 II Descrpfs de l ensemble du banc d essa ms en œuvre pour caracérser les semconduceurs 80 III Comparason des peres enre MOSFET-SC e IGBT-S dans un fonconnemen onduleur de enson 8 IX Concluson 85 X Références du chapre 5 86 Résumé Ce chapre a pour objecf de présener la mse en œuvre e les résulas de caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Tou d abord, nous décrvons la méhode d opposon ulsée e nous présenons la mse en œuvre de l ensemble du banc d essa, en commençan par la pare élecrque pussance e commande e en ermnan par la pare hermque avec la boucle de refrodssemen Nous présenons ensue les ros méhodes permean d esmer les peres dans les sem-conduceurs de pussance Enfn, nous comparons les peres des ules MOSFET-SC aux peres dans des ules IGBT-S ms en œuvre sur le même banc 58

4 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» I Inroducon I Fnalé des essas Le banc de es ulsan la «méhode d opposon» va nous permere de sollcer dfférens packs SC, que nous souhaons éprouver, dans des condons de fonconnemen représenaves de l applcaon vsée C es-à-dre, en reprodusan un fonconnemen onduleur de enson à ulaon de largeur d mpulson MLI, en régme connu de fonconnemen, sous conranes maîrsées empéraure, enson, couran, Ce conversseur es consué de deux cellules de commuaons connecées en opposon Chacun de ces deux bras peu êre équpé de un à ros packs monés en parallèle afn de uler le calbre en couran de nore monage e d éuder l mpac de la mse en parallèle de packs Pour mener cee éude de caracérsaon, nous consdérons la cellule de commuaon dans son ensemble ules, drvers, condensaeurs de flrage Ce veceur de es nous apparaî êre le plus smple pour permere une éude complèe pouvan nous fournr des données de caracérsaon Nous allons ans pouvor eser dans un fonconnemen onduleur les allumeurs spécfques ms au pon pour ces composans Nous pourrons eser dfférenes géoméres de bus-barres e dfférens condensaeurs D aure par, nous allons pouvor réalser une éude comparave de ules MOSFET-SC e de ules IGBT-S de même calbre La comparason des peres des semconduceurs pourra ans se fare pour dfférens pons de fonconnemen onduleur choss Pour cela, pluseurs méhodes d esmaon de peres seron proposées I Caher des charges du banc de es, condons de fonconnemen e hypohèses de dépar Les composans sem-conduceurs SC choss von condonner le dmensonnemen du banc de es pusque nous allons devor respecer les conranes élecrques spécfées par le fabrcan des packs MOSFET-SC Le calbre des composans es : - Tenson maxmale de 00 vore Couran maxmal de 00A In So pour 3 packs en parallèle à In : 600A - Tempéraure de joncon en fonconnemen maxmale de 50 C Le pon de fonconnemen de ces ules devra êre oalemen ajusable Cec nécesse pluseurs aménagemens spécaux : - Nous avons besons d un sysème de refrodssemen spécfque afn de nous permere de varer les empéraures sous la semelle des packs, ans que nous permere d effecuer dverses mesures hermques Cela va conrandre la concepon e le chox du sysème de refrodssemen - Ce conversseur devra dsposer d une care de commande adapée permean de régler les dfférens paramères de la ulaon de largeur d mpulson : profondeur de ulaon, déphasage enson/couran, fréquence de ulaon, fréquence de découpage, emps mor - L allumeur ou drver perme d ajuser les d/d e dv/d lors des commuaons des sem-conduceurs e do respecer les conranes du fabrcan sur les nveaux de ensons nécessares à la bonne commuaon du MOSFET-SC En oure, l do dsposer de ous les dsposfs nécessares à la déecon rapde e la coupure «sûre» des défaus pouvan surgr sur le conversseur e donc ans confner le premer défau au nveau de la cellule de commuaon Cela mplque le chox ou la concepon d un drver spécfque pouvan s nerfacer correcemen avec la care de commande - L almenaon de pussance du conversseur do êre varable afn de conrôler la enson maxmale aux bornes des composans Elle sera dmensonnée pour permere 59

5 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» de fournr une pussance correspondan à l ensemble des peres de nore monage peres des packs SC, peres dans les élémens passfs Nous devons dmensonner l almenaon, l ensemble des élémens passfs du monage les nducances, les condensaeurs ans que le sysème de refrodssemen Compe enu des calbres des ules à eser, les paramères élecrques du banc de es son les suvans : - Tenson d almenaon : La enson ulsée sur le bus du monage pourra aller de 500 à 00 afn de se placer dans la plage des ensons d almenaon des réseaux de racon 750 défne dans la norme NFEN5063 Le calbre des composans MOSFET-SC éan de 00 cee enson de Bus sera chose pour ne pas dépasser cee lme lors du blocage de l nerrupeur - Couran de sore maxmal d un bras : Ibraxmax 600A cas d un fonconnemen avec ros ules en parallèle par bras - Fréquence de ulaon : f [0-500Hz] hacheur ou onduleur Sachan que suvan les applcaons de racon ferrovare cee fréquence peu varer de quasmen 0 à 300Hz envron, nous nous lassons la possblé d aller jusqu à 500Hz Cee plage pouvan évoluer selon l applcaon vsée, suvan les avancées echnologques sur les machnes de racon ou suvan la fréquence de découpage chose Il fau auss garder à l espr que les fréquences de ulaon élevées ne pourron êre aenes qu avec des fréquences de découpages élevées Nous allons essayer de respecer un faceur mnmum de faceur classquemen ulsé en racon ferrovare, so f dec f - Fréquence de découpage : f d [ - 0kHz] par pas de khz Cee plage pourra évoluer suvan les résulas observés sur les peres des packs SC Sachan qu aujourd hu, la fréquence de découpage maxmale admse sur des applcaons Tramways es d envron,5khz, nore objecf es d aendre avec les packs SC une fréquence comprse enre 0kHz e 0kHz La fréquence de découpage mnmale es fxée à khz - Profondeur de ulaon maxmale : m a 90% C es le rappor amplude du sgnal ulan / amplude de la poreuse Elle es ajusable de manère ndépendane sur chaque bras - Temps mor : la valeur ypque ulsée sur les applcaons ALSTOM es de 0µs Cee valeur sera ajusée en foncon des composans ulsés, des vesses de commuaon que nous allons fxer avec les Drvers e des dfférens reards de commande - Déphasage enson/couran en sore de bras : ϕ [0 - π] Cee valeur es représenave du déphasage enson/couran que nous aurons eu avec un fonconnemen classque d onduleur almenan un moeur de racon par exemple, cosϕ 0,8 pour un moeur asynchrone à son pon nomnal de fonconnemen II Topologe e fonconnemen du conversseur «méhode d opposon» II Présenaon de la méhode d opposon e srucure reenue A l orgne, la méhode d opposon es ulsée pour effecuer des essas de machnes élecrques Il s ag d une echnque expérmenale qu consse à accoupler mécanquemen les arbres ournans e à ulser les machnes en fonconnemen moeur ou généraeur grâce à un schéma élecrque spécfque Plus ard, des laboraores comme le LAPLACE on éendu cee echnque en élecronque de pussance [] [] [3], en «opposan» deux conversseurs par l nermédare d un élémen passf Cee méhode es néressane pour caracérser des sysèmes de moyenne e fore pussance lorsque des ess en condons réelles d ulsaon son dffcles vore mpossbles à réalser avec les moyens d essas d un laboraore unversare 60

6 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» La Fgure présene le schéma de prncpe du ransfer de pussance de cee srucure Nous pouvons vor les dfférenes pussances mse en jeu dans le monage «méhode d opposon» où l almenaon de pussance ne fourn que les peres du monage pcs pcs Dans nore applcaon, la méhode d opposon consse à connecer en parallèle deux bras d onduleur de enson e à raccorder les bornes de sore par l nermédare d une nducance de fore valeur vor Fgure Fgure - Pussances mse en jeu dans le monage «méhode d opposon» Fgure - Schéma de prncpe de la pare pussance du monage «méhode d opposon» Les avanages de la méhode d opposon son mulples Comme nous l avons ndqué précédemmen, la pussance absorbée sur l almenaon connue correspond unquemen à l ensemble des peres au sen des deux bras d onduleur e des élémens passfs Du pon de vue de la mesure des peres dans les deux bras onduleurs, nous pouvons avor, so une approche hermque par un blan calormérque, so une approche élecrque par un blan de pussance Les pons de fonconnemen des composans de pussance son parfaemen maîrsés En effe, la fréquence de découpage, la fréquence de ulaon, les emps mors, les ampludes du couran commué, le déphasage enson/couran son réglables en jouan sur la commande La enson du bus connu peu êre fxée par l almenaon régulée en enson Les d/d e dv/d lors des commuaons son réglables sur le Drver Par alleurs, les empéraures des puces peuven êre conrôlées ou lmées par le sysème de refrodssemen II Prncpe de fonconnemen Nore monage fonconne avec un bras ploé en boucle ouvere e nommé «bras maîre» Ce bras es commandé par un ulaeur de largeur d mpulsons qu perme à parr d une consgne de enson ulane d obenr une enson de sore maîre don l onde fondamenale es snusoïdale Ensue, nous avons un bras ploé en boucle fermée e nommé «bras esclave» Ce bras es ploé par une boucle de régulaon du couran dans l nducance d opposon Pour cela, la consgne de enson du ulaeur es fourne par la sore du régulaeur e perme d obenr une enson de sore esclave Le prncpe de la commande applquée aux deux bras d onduleur rese smple : le bras maîre es ploé par un rappor cyclque α e le bras esclave es ploé par un rappor cyclque α légèremen dfféren du premer afn de générer une enson découpée aux bornes de l nducance d opposon e ans de reprodure la forme de couran désrée 6

7 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» II3 Smulaons du conversseur sous le logcel PSIM Un ensemble de smulaons sous le logcel PSIM e une éude héorque du monage va nous permere de mere en place la commande du conversseur e d observer plus précsémen les formes d ondes La Fgure 3 présene le schéma comple développé sur le logcel PSIM Fgure 3 - Schéma du monage «méhode d opposon» sous PSIM La Fgure 4 présene un exemple de formes d ondes résulan de la smulaon Cee smulaon a éé effecuée pour une enson de bus de 600, un couran maxmum dans les bras de 600A, une fréquence ulane de 50Hz, une fréquence de découpage de khz, un déphasage couran/enson de 0 e des emps mors de µs 6

8 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Fgure 4 - Formes d ondes obenues sous PSIM du couran dans l nducance d opposon e sa consgne A l échelle de la fréquence de découpage, pour un couran d opposon posf, nous voyons apparaîre alernavemen des phases de conducon en dagonale qu permeen de fare croîre le couran dans l nducance d opposon e des phases de roue lbre qu permeen de fare décroîre le couran dans l nducance d opposon e nversemen pour les phases où le couran d opposon es négaf vor Fgure 5 Fgure 5 - Formes d ondes à l échelle de la fréquence de découpage explquan le prncpe de fonconnemen de la méhode d opposon c, pour un couran d opposon posf 63

9 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Sur ces formes nous pouvons consaer que le couran es régulé dans la bobne d opposon grâce à la enson à ses bornes Or, l ajou de emps mors perurbe cee commande en créan une chue de enson Cee chue de enson s avère êre prépondérane par rappor à la chue de enson réssve aux bornes de la bobne d opposon e do êre compensée par la régulaon en couran Un moyen pour dmnuer cee conrane es de mnmser le plus possble ces emps mors dans des lmes accepables lé aux vesses de commuaon des sem-conduceurs e aux reards de propagaon de l ordre de commande Pour plus de déals sur la mse en œuvre de la commande analogque du banc d essa «méhode d opposon» vor en Annexe II III Pré-dmensonnemen de la pare élecrque du banc d essa Dans cee pare, nous défnssons l ensemble des élémens élecrques don nous avons beson pour réalser le banc de es Cee phase de pré-dmensonnemen es basée sur une éude héorque du monage e un ensemble de smulaons sous le logcel PSIM Le Tableau récapule les spécfcaons des élémens que nous avons pré-dmensonnés par smulaon e par mse en équaons du sysème Pour plus de déals sur cee phase de pré-dmensonnemen de la pare élecrque du banc d essa vor en Annexe III Tableau - Chox des prncpaux élémens du banc d essa : Élémen du monage Almenaon Condensaeurs de flrage Inducance de flrage Inducance d opposon Capeur de couran dans l nducance d opposon Conranes lés au pré-dmensonnemen Tenson Réglable de 0 à 00 enson de bus souhaés P max 0kW lé aux peres du monage, pre cas Ondulaon de enson à % de la Cbus f valeur maxmale de la enson sur le Bus 00 Hypohèse de condensaeurs : C oal x 3,5mF Cbus oal f 6, 9A max Aénuer de 40dB les raes cenrées sur deux fos la fréquence de la ulane L flrage 43mH mnmum I max envron 0A lé aux peres du monage I oppeff 45A aleur d nducance à régler suvan le pon de fonconnemen souhaé, l ondulaon relave de couran souhaée Une valeur comprse enre 00µH e 000µH perme de balayer l ensemble des pons défns par le caher des charges I oppmax 600A f BPmax 5kHz Câbles de 0mm Sore envsagées en ±0 Chox effecués Almenaon de 0kW réglable jusqu à k condensaeurs : 3mF, 6 bornes, U ndc 00, I eff 300A x4 condensaeurs secondares de 47µF, U ndc 00, I eff 45A Chox effecués à parr des smulaons présenées au Chapre 3 Inducance de 70mH avec pons nermédares [ mH] pour I max 50A surdmensonnée Inducance à ar de valeurs [ ]µH Calbre en couran : 600A effcace à 50Hz Capeur Honeywell, référence : CSNS300M I max 600A, nombre de ours 000, sore possble jusqu à ±5, bande passane de DC à 50kHz 64

10 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» I La commande numérque e les nerfaces avec le monage La commande analogque que nous avons éudée avec les smulaons PSIM va êre mse en place en numérque sur une bae spécfque comporan un DSP Dgal Sgnal Processng e un FPGA Feld-Programmable Gae Array Nous avons ouefos chos d mplaner deux ypes de commande La commande numérque prncpale perme de fare fonconner le monage en onduleur de enson MLI avec une régulaon du couran dans l nducance d opposon, avec la possblé de fer de nombreux paramères en drec La seconde commande numérque perme de fare fonconner le monage en «mono coup» smple, double ou mul-pulse afn de vérfer les bonnes commuaons des nerrupeurs avan de passer à la commande en «méhode d opposon» La commande numérque es mplanée dans une bae de commande apparenan au laboraore LAPLACE Cee bae es consuée d une care DSP de ype DSPACE e d un FPGA de chez Alera La Fgure 6 présene un schéma de prncpe de l archecure avec la commande numérque par DSP FPGA La care DSP perme noammen de réalser la régulaon du couran dans l nducance d opposon En effe, cee care présene une fréquence d échanllonnage peu élevée quelques dzanes de khz correspondan quasmen à la fréquence de découpage dans nore cas, la fréquence de découpage pourra évoluer de khz à 0kHz Ce DSP perme de fare des calculs relavemen smples addon, sousracon, mulplcaon e raremen dvson avec un emps de réacon de l ordre de quelques dzanes de mcrosecondes Comme ce DSP se programme en langage C, nous ulsons une nerface enre la care DSPACE e le logcel Malab/Smulnk En effe, sur ce logcel les foncons régulaon e aures son élsées sous forme de schémas blocs e les dfférenes enrées/sores du DSP son spécfées grâce au logcel RTI Real Tme Inerface Ensue, un complaeur nommé RTW Real Tme Workshop génère e comple les fchers graphques Smulnk en langage C pour pouvor les charger dans le DSP Enfn, le DSP perme la geson de l applcaon en emps réel à parr d une nerface graphque créée avec le logcel Conroldesk qu perme de vsualser des grandeurs nernes e de régler des paramères La care FPGA Alera, de référence ACEXK : EPK00QC08- perme de réalser le ulaeur A parr des rappors cyclques numérsés provenan du DSP e des dfférens sgnaux créés en nerne sgnal de poreuse, geson des emps mors, le FPGA délvre les ordres de commande des dfférens nerrupeurs Ce FPGA fonconne à une fréquence de 6MHz e présene des emps de réacon de l ordre de quelques dzanes de nanosecondes La fréquence d échanllonnage mporane perme d obenr une bonne précson au nveau de la poreuse rangulare qu es ensue comparée au sgnal ulan Le FPGA es programmée en langage HDL par l nermédare du logcel Quarus II D aure par, l es mporan de noer que ce FPGA es moné sur une care d nerface permean de facler les lasons avec l exéreur Il fau donc enr compe de cee care lors de l arbuon des enrées e des sores du FPGA La Fgure 7 donne un exemple d évoluon emporelle des dfférenes âches effecuées par la commande DSP FPGA Pour plus de déals sur la mse en œuvre de la commande numérque sur DSP FPGA e les nerfaces avec le banc d essa vor en Annexe IX 65

11 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Fgure 6 - Schéma de prncpe de l archecure avec la commande numérque par DSP FPGA Fgure 7 - Exemple d évoluon emporelle des dfférenes âches effecuées par la commande DSP FPGA Esmaon des peres dans les sem-conduceurs de pussance en fonconnemen onduleur MLI Les peres oales dans les ules de pussance son évaluées dans un fonconnemen onduleur MLI en ulsan ros méhodes : le calcul à parr de smulaons ou de formules analyques, la mesure élecrque e enfn la mesure calormérque En effe, au-delà de la mse en œuvre des composans MOSFET-SC dans un fonconnemen onduleur, le banc d essa nous perme de bénéfcer de deux nouvelles méhodes permean d esmer les peres dans les sem-conduceurs, une 66

12 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» méhode basée sur la mesure de pussance élecrque e l aure sur la mesure calormérque au nveau des plaques de refrodssemen à eaux Esmaon des peres par calcul La premère approche ulsée pour esmer les peres dans les sem-conduceurs en fonconnemen onduleur es basée sur un calcul analyque présené à la Fgure 8 Dans cee approche, les réssances à l'éa passan du MOSFET-SC dans le sens drec e nverse, la réssance à l éa passan de la Dode SC anparallèle ans que sa enson de seul on éé exraes à parr de ess en conducon vor Chapre 4 Les énerges de commuaon on éé obenues à parr des essas d'mpulsons smples e doubles vor Chapre 4 Ces caracérsques des composans on ensue éé élsées par des équaons polynômales Le calcul des peres dans les sem-conduceurs es réalsé en prenan en compe l ensemble des paramères élecrques Fgure 8 - Organgramme décrvan le prncpe de la méhode de calcul analyque Pour effecuer le calcul des peres dans les sem-conduceurs, deux méhodes peuven êre ulsées, une méhode consse à reprendre les smulaons sous le logcel PSIM en remplaçan les sem-conduceurs de dépar par des ules de calculs de peres Ces ules de calculs de peres son créés à parr de l nerface PcdEdor du logcel e von fournr les peres moyennées sur une la pérode de ulane T Malheureusemen, ce oul ne perme pas de prendre en compe les propréés de bdreconnalé en couran du MOSFET-SC mas l a pu êre ulsé lors du prédmensonnemen du banc d essa avec des èles d IGBT-S Pour plus de déals sur l approche par smulaons de la srucure en ulsan les ules de calculs de peres du logcel PSIM vor en Annexe X La seconde méhode consse à effecuer des calculs analyques afn d esmer les peres dans les sem-conduceurs en fonconnemen onduleur MLI Cee approche nous perme de ben comprendre la réparon des peres dans le cas d ulsaon de composans MOSFET-SC bdreconnels en couran Ans nous séparerons l approche analyque concernan l IGBT-S e l approche analyque concernan le MOSFET-SC Ces calculs des peres son déallés en Annexe X 67

13 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» La bdreconnalé en couran du MOSFET-SC va consdérablemen fer la réparon des peres enre le MOSFET e sa dode en anparallèle La Fgure 9 présene un schéma de prncpe où le couran de sore du bras ph es négaf e se répar enre la dode D e le ranssor MOSFET T de l nerrupeur du hau d un bras onduleur lorsque celu-c es commandé Fgure 9 - Schéma de prncpe d un bras onduleur e convenons de mesures Explcaon de la phase de réparon du couran avec le MOSFET bdreconnel en couran Afn de ben comprendre la réparon du couran enre le MOSFET T e la dode T duran cee phase, nous pouvons écrre le sysème d équaons 5- D T r r d D d T nverse ph T T j D T T D j T D 0 D T j 5- Nous allons dsnguer le cas où le couran ph es nféreur au couran ranssor T correspondan à la enson de seul de la dode e le cas où le couran ph es supéreur T 0 D j au couran ranssor T correspondan à la enson de seul de la dode T Lorsque le couran de phase es négaf le seul es défn par l équaon 5-0 D j 0 D T j ph I seul bdr 5- rd T nverse T j 68

14 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» 69 er cas : > 0 j nverse T d j D ph T r T Dans ce cas, ou le couran passe en nverse dans le ranssor MOSFET T Le couran dans la dode D es nul rasonnemen sans emps mor ème cas : < 0 j nverse T d j D ph T r T Dans ce cas, le couran se répar enre la dode D e le MOSFET T e la enson commune es donnée par 5-3 Le couran dans le MOSFET T e la dode D peuven alors s exprmer respecvemen par 5-4 e j D d j nverse T d j D d j D ph rp T T r T r T r T j D d j nverse T d j D d j D ph rp T T r T r T r T j nverse T d j D d j nverse T d j D ph rp D T r T r T r T 5-5 La Fgure 0 présene la forme d onde du couran fondamenal à la sore du bras phfond e ndque les dfférenes phases de conducon du MOSFET T e de la dode D

15 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Fgure 0 - Forme d onde du couran fondamenal à la sore du bras avec les dfférenes phases de conducon à prendre en compe pour l nerrupeur du hau Remarque : Tou nore rasonnemen par de l hypohèse de dépar suvane : T 0 D j > I r max ph d T nverse T 5-6 j Dans le cas où la relaon 5-6 n es pas respecée, l ensemble du couran de phase négaf passe par le MOSFET T e aucun couran ne passe dans la dode D qu n es pas sollcée en néglgean les emps mors Les peres en conducon en nverse se suen donc seulemen dans le MOSFET T Pour conclure, nous pouvons ou d abord noer que l ulsaon de MOSFET-SC à la place d IGBT-S va fer de manère mporane la réparon des courans enre le ranssor e la dode anparallèle Cela va complquer le calcul des courans moyens e effcaces dans ces composans e donc les calculs analyques des peres en conducon En consdéran que le MOSFET-SC présene une melleure caracérsque en conducon que la dode en anparallèle absence de enson de seul alors globalemen les peres en conducon devra dmnuer par rappor à l ulsaon d un semconduceur undreconnel en couran Cee propréé de bdreconnalé en couran du MOSFET- SC relance auss les quesons concernan l ulsaon de la dode de corps du MOSFET en ayan un pack ne conenan pas de dodes Schoky SC en anparallèle C es par exemple le cas du pack ROHM BSM80DPC0 vor Chapre 4 Ces équaons analyques son négrées dans une macro-excel afn de rendre le calcul des peres ransparen pour l ulsaeur Ce calcul des peres peu s effecuer pour dfférenes valeurs de 70

16 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» déphasage, de profondeur de ulaon, de couran, de fréquence de ulane e de fréquence de découpage Par la sue, nous allons comparer les résulas obenus avec cee approche analyque avec ceux obenus par les méhodes de mesures élecrque e calormérque Oure le calcul des peres dans les sem-conduceurs, la macro-excel perme de connaîre les dfférenes empéraures grâce à la prse en compe des réssances hermques des boîers fournes par les consruceurs Lors des essas expérmenaux, nous allons connaîre unquemen la empéraure mesurée au nveau de la semelle du composan Par conséquen, cela sgnfe que pour chacun des pons de fonconnemen nous allons êre oblgé d effecuer une démarche érave ayan pour bu d obenr une esmaon de la empéraure de joncon e une esmaon des peres calculées la plus juse possble conformémen à la Fgure Fgure - Démarche érave ulsan la macro-excel pour esmer la empéraure de joncon e les peres des sem-conduceurs correspondan à cee empéraure Un exemple de comparason des peres oales dans un fonconnemen onduleur de enson enre un ule IGBT-S INFINEON FF00RMT4 e un ule MOSFET-SC ROHM BSM00DPC004 es proposé pour les condons données dans le Tableau 7

17 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Tableau - Réglages des paramères de l onduleur de enson avec commande MLI nersecve : Paramères Commande de l onduleur Chox MLI nersecve Profondeur de ulaon 0,5 Tempéraure de joncon [ 5 / 5 / 50 ] C Tenson de Bus Couran de sore 600 Forme d onde snusoïdale 00 A max / 50 Hz Angle de déphasage : ϕ π/ Les résulas des calculs analyques effecués sur la Macro-Excel à parr des condons décres dans le Tableau son présenés à la Fgure ans que dans le Tableau 3 Ils nous permeen d ancper des pons de fonconnemen du monage e dès à présen de rer des conclusons sur l mpac des MOSFET-SC en fonconnemen onduleur Nous voyons noammen que le oal des peres en conducon es quasmen le même enre un ule MOSFET-SC e un ule IGBT-S Pour ce pon de fonconnemen onduleur, nous voyons que les dodes son rès peu sollcées conraremen au fonconnemen avec IGBT ou avec MOSFET sans prse en compe de la propréé bdreconnelle en couran D aure par, nous voyons une dmnuon mporane des peres oales du MOSFET par rappor à l IGBT lorsque la fréquence de découpage augmene, qu es d auan plus fore que la empéraure es élevée Mas nous revendrons plus en déals sur cee comparason par la sue lorsque les résulas obenus de la méhode analyque seron vérfés en praque par les deux aures méhodes d esmaon des peres méhode élecrque e calormérque Fgure - Exemple de résulas de comparason des peres oales ranssor dode en foncon de la fréquence de découpage pour un fonconnemen onduleur de enson avec commande MLI nersecve 7

18 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Tableau 3 - Exemple de résulas de comparason des peres en conducon pour une empéraure de 50 C e pour un fonconnemen onduleur de enson avec commande MLI nersecve : Pour T j 50 C e condons défnes dans le Tableau IGBT-S 00-00A MOSFET-SC 00-00A sans prse en compe de la propréé bdreconnelle en couran MOSFET-SC 00-00A avec prse en compe de la propréé bdreconnelle en couran Courans : < > A 5,9 pas ule pas ule I eff I eff T T T drec A 35,4 35,4 35,4 T nverse A 0 0 8,6 < > A 5,9 5,9 7, eff D T I A 35,4 35,4 7,3 D Peres en conducon : P cond drec, T W 33, 4,5 4,5 P cond nverset, cond W 0 0,5 P W 33, 4,5 53,0 cond T P W 9, 9,6 0, D P W 6,3 7, 63,0 cond T D Esmaon des peres par la Méhode Elecrque La mesure de la pussance fourne sur le bus connu donne les peres oales du monage Ensue, un blan de pussance perme d obenr les peres dans les sem-conduceurs Pour cela, les élémens passfs du monage on éé caracérsés au préalable à l ade d un pon d mpédance Les peres dans le flre d'enrée L flrage e C bus pourraen rès ben êre néglgées mas elles son prses en compe de même que les peres dans l nducance de charge L opp e ses câbles de connexon Les peres dans les bras onduleur son alors déermnées en sousrayan les peres des élémens passfs de la pussance d'enrée Les peres dans les deux bras éan denques lorsque les condons de symére son respecées ϕ π/ [] Enfn, des ess son effecués à des fréquences de commuaon dfférenes afn de séparer les peres en conducon e les peres en commuaon Pour effecuer la mesure de pussance fourne sur le bus connu, nous allons ulser un apparel de marque olech e de référence PM3000A Ce apparel n es pas qu un smple wamère, pusqu l peu fare une analyse fréquenelle des grandeurs mesurées En ce qu nous concerne, nous allons unquemen mesurer la enson connue, le couran connu e la pussance connue en sore de l almenaon du banc d essa Ce apparel peu mesurer une enson allan jusqu à 400rms e un couran allan jusqu à 30Arms, ce qu correspond ben à nos besons La mesure de pussance sera ensue moyennée sur une pérode chose e sera renrée dans un fcher Excel permean d effecuer le blan de pussance en foncon du pon de fonconnemen de l onduleur 3 Esmaon des peres par la Méhode Calormérque Comme le monre la Fgure 3, la méhode calormérque consse à mesurer le déb de l eau de refrodssemen e les empéraures d enrée e de sore des plaques de refrodssemen Afn de garanr des condons adabaques, les refrodsseurs son solés avec de la mousse Pour avor une grande précson, les mesures de empéraure son effecuées par les sondes PT00 Classe B/0 T, To, To e T e le déb es mesuré par un débmère à vorex Qv Néanmons, la précson sur la mesure des peres dépend de la dfférence de empéraure C es pour cela qu une réducon du déb 73

19 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» d'eau es nécessare pour obenr une mesure précse pour les pons de fonconnemen à fables peres dans nore cas, le déb mnmum es de 0,5 L/mn Fgure 3 - Méhode hermque ou calormérque applquée au banc d essa en opposon L équaon 5-7 donne la relaon smplfée des peres dans un bras de commuaon en foncon des paramères herynamques 5-7 Avec : - les peres oales par bras en [W] - la dfférence de empéraure de l eau de refrodssemen enre l enrée e la sore de la plaque de refrodssemen en [ C] ou [K] - la masse volumque en [kg/m3] - la capacé hermque massque en [J/kgK] - le déb de d eau de refrodssemen en [m 3 /s] En oure, des hermocouples son placés sous la semelle des ules de pussance afn d esmer la empéraure de joncon des puces Enfn, les mesures de empéraures e de débs son cenralsées dans un enrereur de données La Fgure 4 donne un exemple de mesures enrerées duran deux heures avec un échanllonnage d une seconde Elles concernen la plaque de refrodssemen équpé de ule de pussance MOSFET-SC 74

20 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Fgure 4 - Déb e empéraures enrée/sore sur la plaque de refrodssemen pour un ule de pussance MOSFET-SC I Le sysème de refrodssemen des sem-conduceurs de pussance e la mse en œuvre des dfférenes mesures hermques Oure la geson du refrodssemen des sem-conduceurs lors du fonconnemen onduleur MLI, les mesures hermques permeen d effecuer une esmaon des peres dans les semconduceurs La mse en œuvre de ces mesures es délcae e nécesse un ceran nombre de précauons Tou d abord, nous devons chosr la plage de déb don nous voulons dsposer S nous reprenons l équaon 5-7 e que nous fxons une dfférence de empéraure enre l enrée e sore d une plaque de refrodssen suffsammen mporane par exemple de C e que nous déermnons le déb nécessare pour pluseurs pussances à évacuer, nous obenons les résulas présenés dans le Tableau 4 Tableau 4 - Déb d eau nécessare pour garanr une dfférence de empéraure, pour dfférenes valeurs de peres à évacuer avec // e!"# / $ : [W] [L/mn] 0,7 3,59 7,8 0,76 Compe-enu de ces résulas, nous avons décdé de dsposer d une boucle de refrodsseur par crculaon d eau avec un déb allan de 0,5L/mn à 0L/mn La Fgure 5 présene le schéma de prncpe de l ensemble de la boucle à eau mse en place L échangeur eau/eau a éé dmensonné pour exrare une pussance allan jusqu à envron 5kW Pour des rasons de coû, nous avons chos d avor une dsposon en sére des deux plaques de refrodssemen Ces plaques de refrodssemen son choses afn de répondre aux conranes de pussance que nous souhaons dssper De plus, l ensemble de la plaque à eau sera hermquemen solée par une boîe en bos recouvere de mousses Cee solaon a pour bu de lmer au maxmum les échanges par convecon naurelle afn d amélorer la précson de la mesure des peres D aure par, ces plaques de refrodssemen son prses de dmensons mporanes e équpées de nombreux pons de fxaons vor Fgure 6a Ans nous allons pouvor avec un seul èle de plaques de refrodssemen avor la possblé de eser dfférens boers dans dfférenes posons mécanques Pour cela, une semelle d nerface adapée à chaque ype de boer es conçue afn de fare le len mécanque e hermque enre les composans e la plaque de refrodssemen vor Fgure 6b De plus, cee semelle d nerface es ranurée e équpée de hermocouples placés en vs à vs des puces afn de permere d esmer les 75

21 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» empéraures de joncon de composans La Fgure 6c présene l ensemble du monage composé de la plaque de refrodssemen, la semelle d nerface équpé des hermocouples, les ules de pussance e la boîe solane Enfn la Fgure 6d me en évdence l nérê de la mousse solane qu confne l ensemble de la plaque de refrodssemen e ne lasse dépasser que les connecons de pussance des ules Fgure 5 - Schéma de prncpe de l ensemble du sysème de refrodssemen a plaque de refrodssemen dans sa boîe solane en bos e mousse solane en fond b semelle d nerface équpée de hermocouples placés dans les ranures c ensemble plaque de refrodssemen, semelle d nerface, ules de pussance, hermocouples, mousse solane e boîe solane d solaon supéreure de l ensemble de la plaque de refrodssemen Fgure 6 - Mse en œuvre des ules de pussance sur la plaque de refrodssemen 76

22 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Pour effecuer le blan calormérque, nous avons placé, en enrée e sore des plaques de refrodssemen, des sondes de ype PT00 nrusves 4 fls correspondan aux sondes noées T, To, T e To sur la Fgure 5 Afn de garanr le maxmum de précson ces sondes son prses de de classe «B/0» d après la norme IEC 75 [4] don un exra es donnée dans le Tableau 5 Tableau 5 - Exra de la norme IEC 75 présenan les olérances des sondes PT00 classe A, B, B/3, B/5 e B/0 [4] : La Fgure 7 présene l nsallaon fnale d une sonde de empéraure PT00 en enrée ou sore d une plaque de refrodssemen Fgure 7 - Sonde de empéraure PT00 nsallée en enrée ou en sore d une plaque de refrodssemen Pour la mesure par calormére, nous devons auss dsposer d un débmère ayan une bonne précson de mesure Dans nore cas, nous allons mere en place débmères de echnologes dfférenes, l un éan un débmère à ulrasons e l aure un débmère à vorex vor Fgure 8 Le débmère à ulrasons de chez Arao e de référence 760 peu mesurer des débs allan de 0, à 0L/mn avec une précson de l ordre de ±,5% de l échelle de mesure Le débmère à vorex de chez Kobold e de référence DZ07B4E3R/C peu mesurer des débs allan de 0,8 à 7L/mn avec une précson de ±,5% de l échelle de mesure 77

23 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» a Image des débmères b Schéma de prncpe du branchemen des débmères Fgure 8 - Descrpons des deux débmères placés sur la boucle de refrodssemen L ensemble de ces mesures de empéraures e de débs es cenralsé dans un apparel Aglen référence 3497A qu compore 3 racks d acquson Un rack prendra en charge la récepon de l ensemble des mesures effecuées par les hermocouples Un second rack récupérera les mesures des sondes PT00 e des débmères sous la forme de sgnaux [0-0] Ce apparel es ensue relé par un câble réseau de ype RJ45 à un PC sur lequel un logcel nommé : «BenchLnkDaaLogger3v400» nous perme de raer ces mesures mse à l échelle, pas d acquson, racés emporels, formules mahémaques, ec La Fgure 9 présene le schéma de prncpe décrvan la chaîne d acquson des mesures de empéraures e de débs Fgure 9 - Schéma de prncpe de la chaîne d acquson des mesures de empéraures e de débs La Fgure 0 présene une phoo d un des ros racks d acquson de mesures de l apparel Aglen 3497A sur lequel son branchés pluseurs hermocouples de ype K Fgure 0 - Phoo d un rack d acquson de mesures de l apparel Aglen3497A sur lequel son branchés pluseurs hermocouples de ype K Après avor défn l ensemble du sysème de refrodssemen e des apparels de mesures, nous pouvons regarder les ncerudes que nous allons avor lors de la mesure des peres par la méhode 78

24 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» calormérque Ans, pour un déb fxé à L/mn, en cumulan l ensemble des erreurs des deux mesures de empéraures e de la mesure du déb, nous avons une erreur de mesure nféreure à 8% pour 00W de peres mesurées Cee erreur deven nféreure à 4% pour 400W e nféreure à,5% pour 500W de peres mesurées Nous avons donc ou nérê à chosr un pon de fonconnemen onduleur qu condura à des peres à dssper mporanes e ans amélorera la précson de la mesure calormérque Nous avons ms en place une premère phase d éalonnage de la mesure calormérque avan de fonconner avec les composans sem-conduceurs Chacun des élémens de mesure a sub une premère phase de ess par un organsme cerfé qu nous a fourn un rappor donnan pour dfférens pons de mesure l erreur de l apparel par rappor à un apparel éalon Cee phase n ayan pas pu êre réalsée en nerne pusque nous ne dsposons pas d apparel éalon suffsammen précs Ces erreurs on ensue éa radues par des équaons en foncon des dfférens paramères de sensblé e on ans pu êre mplanées drecemen sur la cenrale d acquson des données Dans un second emps, nous avons éalonné le sysème de mesure drecemen sur le monage Pour cela, une premère éape a conssé à dsposer d un corps de chauffe placé sur l enrée d eau en amon des plaques de refrodssemen en sére vor Fgure Avec ce sysème, nous avons pu régler dfférenes empéraures d eau en enrée des plaques, pour dfférenes valeurs de déb Ans, pour un pon d essa chos, une fos la hermque sablsée nous sommes censés rerouver la même valeur de empéraure en enrée e en sore d une plaque de refrodssemen L erreur es ensue mesurée sur la cenrale d acquson e moyennée à parr de pluseurs mesures Par exemple, pour un réglage de L/mn en moyenne e une mesure de la empéraure d enrée de l eau de 5 C en moyenne, nous allons avor une mesure de la empéraure de l eau en sore qu vaudra par exemple 4 C en moyenne Cee erreur c, de C es compensée sur la sonde de sore de la plaque de refrodssemen de sore que la dfférence de empéraure so ben nulle Ans un faceur de compensaon de l erreur de mesure de la pussance es ramené sur la mesure de empéraure en sore de la plaque de refrodssemen e cela pour dfférens réglages de déb e de empéraure en enrée d eau Cee compensaon perme de prendre en compe l ensemble des peres de nos plaques de refrodssemen par convecon avec les élémens resés en conac avec l ar amban, par conducon par exemple en dffusan la chaleur dans les connecques de pussance e par rayonnemen Cee compensaon perme auss de consdérer l ensemble des erreurs de nore chane de mesure a sysème de chauffe de l eau en enrée des plaques de refrodssemen b corps de chauffe placé en enrée des plaques de refrodssemen Fgure - Images décrvan le sysème de chauffe de l eau en enrée des plaques de refrodssemen Une deuxème éape vsan à amélorer l esmaon de pussance a conssé à développer des corps de chauffe ayan la même géomére que les ules de pussance e venan s négrer en leu e place de ces ules vor Fgure Il s ag de semelles équpées chacune de 4 réssances chauffanes de 350W que nous pouvons commander de manère ndépendane Ans pour dfférens 79

25 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» nveaux de pussance njecés dans les plaques de refrodssemen conrôlés par un Wamère, nous pouvons vérfer s nore cenrale d acquson rerouve la même pussance par la mesure calormérque Ensue, comme pour la méhode précédene, les erreurs observées seron radues par dfférenes équaons lées aux paramères que nous avons fa évoluer par exemple le déb e nous allons négrer ces équaons à nore cenrale d acquson afn que ce so ransparen pour l ulsaeur lorsqu l récupère les données de la cenrale d acquson a exra du logcel Sold Edge b phoos en cours de monage Fgure - Monage des semelles équpées de corps de chauffe sur la plaque de refrodssemen Pour conclure, ces deux méhodes permeen de recaler les mesures hermques afn d avor une valeur de pussance mesurée la plus juse possble Touefos, elles ne nous permeen pas de connaîre l erreur de chacun des apparels de mesures ndépendammen Pour cela, l aura fallu dsposer d apparels éalons que nous aurons drecemen dsposés sur le monage Malgré ou, la possblé de dsposer d aures moyens pour esmer la pussance dans les composans, le fa de bénéfcer de deux débmères e de deux plaques de refrodssemen nous garanssen d avor une mesure calormérque correce II Descrpfs de l ensemble du banc d essa ms en œuvre pour caracérser les sem-conduceurs La Fgure 3 présene en mages le banc d essa ms en œuvre dans un box prévue à ce effe dans les locaux d ALSTOM Un descrpf déallé en mages de l ensemble du banc d essa ms en œuvre es proposé en Annexe XI 80

26 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Fgure 3 - ue d ensemble du banc d essa réalsé à Tarbes se d ALSTOM Transpor III Comparason des peres enre MOSFET-SC e IGBT-S dans un fonconnemen onduleur de enson Pour les mesures par la méhode calormérque, nous ne présenerons que les résulas ssus de mesures effecuées avec le débmère à vorex En effe, l nous es dffcle de déparager les deux echnologes de mesure ulrasons e vorex qu semblen oues les deux donner des résulas sasfasans Nous avons commencé à ravaller avec des ules IGBT-S afn de mere au pon nore monage e les dfférenes méhodes d esmaons des peres dans les composans La Fgure 4 présene un exemple des résulas d essas obenus avec, e 3 ules IGBT-S INFINEON FF00RMT4 en parallèle dans les condons suvanes : - Tenson de Bus Couran de sore snusoïdal 00A, 00A ou 300Amax 00Amax par ule - Fréquence ulane 0Hz - Déphasage du couran : ϕ π/ - Fréquence de découpage [ à 5] khz - Taux de ulaon 0,5 - Temps mor 3µs Sur cee Fgure 4, l ncerude des mesures es fgurée par des barres pour chaque pon de mesure effecué par la méhode hermque à dfférenes valeurs de fréquence de découpage Comme cela éa prévsble, la précson de cee mesure hermque croî lorsque le nombre de ules en parallèle augmene pusque les peres son plus mporanes D aure par, sur ces relevés chaque pon ssu de l esmaon des peres par la méhode hermque correspond à un essa de l onduleur d envron h afn de garanr son bon fonconnemen e avor des mesures sablsées 8

27 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Fgure 4 - Fonconnemen Onduleur, peres oales Transsor Dode en foncon de la fréquence de découpage Exemple de résulas avec, e 3 ules IGBT-S 00-00A INFINEON FF00RMT4 en parallèle avec bus 600, opp 00Amax pour ule, f 0Hz, ϕπ/, mor 3µs Une fos ces ravaux de mse au pon ermnés, nous avons nsallé sur le banc des ules MOSFET-SC La Fgure 5 monre une comparason enre un ule IGBT-S INFINEON 8

28 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» FF00RMT4 e un ule MOSFET-SC ROHM BSM00DPC004 dans les condons suvanes : - Tenson de Bus Couran de sore snusoïdal 00Amax - Fréquence ulane 0Hz - Déphasage du couran : ϕ π/ - Fréquence de découpage [ à 8] khz - Taux de ulaon 0,5 - Temps mor 3µs Les résulas de mesure prouven que l esmaon des peres par calculs es correce Pour le MOSFET-SC, cela confrme la bonne précson des mesures de couran e de enson lors des essas en commuaon e valde la élsaon à l éa passan du composan en enan compe de ces propréés comme par exemple la bdreconnalé en couran du ranssor Dans l ensemble, ces essas on perms de valder le bon fonconnemen du monage e des dfférenes méhodes permean d esmer les peres : la méhode par calcul, la méhode par mesure élecrque e la méhode calormérque Pour les relevés par la méhode calormérque, le pon de mesure enouré en rouge sur la Fgure 5, qu correspond à une fréquence de découpage de 5kHz, a éé déallé précédemmen à la Fgure 4 Ces résulas monren une réducon d'un faceur,5 des peres oales Transsor Dode pour une fréquence de découpage de 5 khz A peres denques, le ule IGBT-S fonconne à khz alors que le ule MOSFET-SC fonconne à 5 khz Le Tableau 6 résume les résulas obenus à parr des essas sur ce monage Nous avons ensue vérfé s nous obenons les mêmes résulas en mean en parallèle des ules MOSFET-SC La Fgure 6 présene une comparason enre le ule IGBT-S INFINEON FF00RMT4 e le ule MOSFET-SC ROHM BSM00DPC004 lorsque nous avons, pus 3 ules en parallèle, dans les mêmes condons que précédemmen Nous pouvons dre que l augmenaon du nombre de ules en parallèle ne fe pas les gans que nous avons synhésés dans le Tableau 6 Fgure 5 - Fonconnemen Onduleur, peres oales Transsor Dode en foncon de la fréquence de découpage Comparason enre un ule MOSFET-SC e un ule IGBT-S avec bus 600, opp 00Amax pour ule, f 0Hz, ϕπ/, mor 3µs 83

29 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Tableau 6 - Peres des ules MOSFET-SC comparé aux ules IGBT-S pour dfférenes valeurs de fréquence de découpage e pour le pon de fonconnemen A aenon, la empéraure de joncon ne son pas denques, lé au monage ms en œuvre : Fréquence de découpage khz Peres oales Transsor Dode W IGBT-S 00-00A MOSFET-SC 00-00A pack packs 3 packs pack packs 3 packs Pourcenage de réducon IGBT-S / MOSFET-SC % , , , ,0 Fgure 6 - Fonconnemen Onduleur, peres oales Transsor Dode en foncon de la fréquence de découpage Comparason enre le ule MOSFET-SC e le ule IGBT-S, avec, pus 3 ules en parallèle avec bus 600, opp 00Amax pour ule, f 0Hz, ϕπ/, mor 3µs 84

30 IX CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» Concluson Ce chapre a présené la réalsaon du banc d essa basé sur la méhode d opposon qu a perms de mere en œuvre e de caracérser des ules de pussance MOSFET-SC dans un fonconnemen onduleur de enson MLI Nous avons mesuré les peres dans des MOSFET-SC pour une ulsaon fuure dans le domane des conversseurs ferrovares Les résulas expérmenaux on valdé les ros méhodes d esmaons des peres dans les sem-conduceurs : la méhode par calcul, la méhode élecrque e la méhode calormérque La valdé des résulas obenus par la méhode analyque confrme d une par que les essas de caracérsaons saques e dynamques que nous avons ms en œuvre e présenés dans le Chapre 3 son correcs D aure par, que l écrure analyque des peres dans le ule MOSFET-SC avec la prse en compe des dfférens propréés du composan comme sa bdreconnalé en couran es elle auss correce Pour la méhode élecrque, les essas on monré l mporance de la caracérsaon des dfférens élémens passfs du monage afn de bénéfcer d un blan de pussance valde A cee condon, la méhode élecrque présene alors de rès bons résulas à condon que les deux cellules de commuaon du pon en H soen équpées des mêmes composans e lorsque le déphasage enson/couran es de π/ La méhode calormérque donne auss de rès bons résulas, à condon de ben aendre la sablsaon de la boucle de refrodssemen Dans nore cas, l falla en général aendre h pour chaque pon de fonconnemen chos Pour la boucle de refrodssemen, des améloraons pourraen êre apporées car la confguraon acuelle avec les deux plaques de refrodssemen en sére soume le deuxème bras de commuaon à des empéraures plus mporanes que le premer bras Même s cela oblge à placer un débmère par boucle de refrodssemen, une confguraon en parallèle sera préférable afn de rendre ndépendan les réglages de refrodssemen sur les deux plaques à eaux D aure par, le réglage de déb se fa acuellemen à la man au nveau de la boucle de refrodssemen, ce qu oblge à fxer une valeur avan de démarrer les essas élecrques Une confguraon avec un déb ploé de l exéreur du banc permera d ajuser en drec le déb d eau en foncon des empéraures souhaées au nveau des composans Pour aller encore plus lon, nous pourrons même envsager une régulaon de la empéraure du composan par acon sur le déb De plus, ce banc d essa a auss perms d éuder la mse en parallèle de ules MOSFET- SC pusque nous avons fonconné avec, pus 3 ules en parallèle Grâce aux co-smulaons élecrques e élecromagnéques nous avons pu concevor des bus-barres avec une dsposon des condensaeurs pluô opmale Cela a perms de dmnuer les dfférences de couran enre les ules an en saque qu en dynamque Lorsque nous avons fonconné avec 3 ules en parallèle, nous avons fa commuer les 3 composans en parallèle avec une commande «double-pulse» jusqu à 600A e nous avons commué, en fonconnemen onduleur, un couran en sore allan jusqu à 300Amax Ce banc d essa a auss perms de eser e d amélorer dfférenes versons d allumeurs desnés à ploer jusqu à 3 ules MOSFET-SC en parallèle Ce monage va permere dans le fuur de eser dfférens nveaux de pussance e dfférens pons de fonconnemen pusque la commande mse en place sur ce banc d essa perme de fer de nombreux paramères Lors de la présenaon de nos essas nous nous sommes lmés à un réglage donné en fonconnemen onduleur Mas l es mporan de rappeler que ce banc d essa perme auss de fonconnemen dans dfférens es comme par exemple le e hacheur, en régulan une consgne de couran connu dans la charge De surcroî, ce monage va permere dans le fuur de eser dfférens ype de condensaeurs e de bus-barres Nous avons noammen préparé un nouveau èle de bus-barre équpé d un nouveau condensaeur de chez SBE de référence 700D [5] [6] Il s ag de condensaeurs crculares présenan un grand nombre de bornes de sores afn de rédure l nducance globale de pussance Aujourd'hu, des cenanes d heures de fonconnemen onduleur avec les composans MOSFET-SC on éé cumulées Les résulas expérmenaux monren une réducon sgnfcave des peres dans les sem-conduceurs e la possblé d'augmener la fréquence de commuaon La 85

31 CHAPITRE 5 : Mse en œuvre e caracérsaon de ules de pussance MOSFET-SC en fonconnemen onduleur de enson sur un banc d essa par «méhode d opposon» combnason de ces deux avanages a un mpac au nveau sysème La réducon des peres dans les conversseurs saques condura à dmnuer la alle du sysème de refrodssemen ou même changer sa echnologe En oure, l'augmenaon de la fréquence de commuaon rédu la alle des flres passfs ou perme de consdérer dfférenes sraéges de conrôle de la machne Dans l'ensemble, l'nroducon de composans SC nécesse de reprendre oue la concepon de la chaîne de racon pour obenr des gans sgnfcafs en masse e le volume e ans facler l'négraon X Références du chapre 5 [] F Fores e al, "Use of Opposon Mehod n he Tes of Hgh-Power Elecronc Converers," IEEE Trans Indus Elec, vol 5, no, pp , Aprl 006 [] Slvero Alvarez Hdalgo, "Characersaon of 33k IGCTs for Medum Power Applcaons," Insu Naonal Polyechnque de Toulouse, Thèse de docora en Géne Elecrque Nº ordre : 7, 005 [3] Jérôme allon, "Inroducon à l éude de la fablé des cellules de commuaon à IGBT sous fores conranes," Insu Naonal Polyechnque de Toulouse, Thèse de docora, souenue le 7 Décembre 003 N d'ordre : 063, 003 [4] "Capeurs ndusrels à réssance hermomérque de plane," Norme IEC 75 Premère édon 983 [5] Edward Sawyer, "Low Inducance Low Temp Rse DC Bus Capacor Properes Enablng he Opmzaon of Hgh Power Inverers," PCIM00 Europe, Nuremberg, Germany, pp 75-80, 4-6 May 00 [6] MA Brubaker, H C Krbe, and T A Hoskng, "Inegraed DC Lnk Capacor/Bus Srucures o Mnmze Exernal ESL Conrbuon o olage Overshoo," ITEC, IEEE Transporaon Elecrfcaon Conference and Expo, Mchgan, USA, pp -6, 7-0 June 0 86

32 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares 87

33 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Sommare I Premères réalsaons de conversseurs ferrovares avec des ules de pussance SC 89 II Caracérsaon des premers ules de pussance MOSFET-SC répondan aux besons des sysèmes de racon des Tramways 90 III Analyse de l nérê des MOSFET-SC sur un parcours ype d une chaîne de racon de Tramways 97 I Les besons à l échelle du sysème de racon ferrovare e les réponses apporées par l ulsaon MOSFET-SC 0 I Les besons e/ou conranes à l échelle du sysème de racon ferrovare 0 I Les réponses apporées par l ulsaon de ules de pussance MOSFET-SC 03 Préconsaons de mse en œuvre des MOSFET-SC dans les conversseurs ferrovares 04 Archecure générale du «cœur pussance» à base de MOSFET-SC 04 Crcu d allumage 06 3 Les câblages enre la commande e l allumeur 07 4 L augmenaon des empéraures 07 5 La compablé élecromagnéque 07 I Références du chapre 6 08 Résumé Ce derner e sxème chapre a pour objecf de donner des conclusons e des perspecves sur l ulsaon des composans SC dans des conversseurs ferrovares Pour cela, nous présenerons les premers résulas obenus avec des ules de pussance MOSFET-SC d un calbre répondan aux besons des sysèmes de racon des Tramways Une premère éude de l appor de ces ules sur un parcours ype d une chaîne de racon de Tramway es présenée, celle-c perme de mere en avan les dfférens avanages e conranes amenés par l ulsaon de ce ype de composans Ensue, dans le bu de défnr les fuurs ravaux à mener à la sue de cee hèse, nous abordons plus en déal les besons à l échelle du sysème sur les chaînes de racon e nous rappelons les dfférenes conranes lés à l ulsaon des composans SC dans un conversseur de pussance 88

34 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares I Premères réalsaons de conversseurs ferrovares avec des ules de pussance SC En 03, ous les consruceurs ferrovares s néressen aux composans en SC, mas seuls les consruceurs japonas Toshba, Hach e Msubsh communquen sur des soluons à base de packs hybrdes assocan des IGBT-S e des dodes SC Toshba e Hach on présené des packs qu n on éé esés que sur banc d essa e qu son suscepbles d équper des conversseurs ferrovares Par exemple, Hach a présené en 0 des packs hybrdes 3k/00A avec des IGBT en S e des dodes JBS en SC [] [] Ces packs son monés sur un onduleur ploan un moeur haue vesse de 80kW Par rappor à un monage avec des packs IGBT, ce dsposf perme de rédure les peres oales du conversseur de plus de 30% Fn 0, la socéé Msubsh Elecrc es la premère à annoncer un ule de pussance embarqué dans un coffre de méro qu ulse des packs hybrdes avec des IGBT-S e des dodes SC [3] [4] Il fau aendre la conférence PCIM 0 pour avor un arcle comple concernan cee applcaon [5] Les premers ess commercaux de ce ule de pussance on eu leu dès Janver 0 sur le méro de Tokyo Par rappor au ule de pussance classquemen ulsé pour cee applcaon, l éude a perms d obenr un ule de pussance avec une réducon des peres de l onduleur rphasé de 30%, une alle e un volume global rédu d envron 40% e un bru onduleur/machne dmnué de 6dB L onduleur rphasé es composé de ules hybrdes 700/00A en parallèle par bras de commuaon vor Fgure La fréquence de découpage a éé augmenée khz ulaon asynchrone ce qu a perms de rédure de 40% les peres au nveau du moeur Une éude à l échelle du sysème a perms de rédure l ulsaon du frenage pneumaque du méro au prof d un frenage élecrque, ce qu rédu consdérablemen la manenance Fgure - Phoo du ule de pussance à droe e du pack hybrde IGBT en S e dodes en SC à gauche proposé par Msubsh Elecrc pour le méro de Tokyo Les premers conversseurs ferrovares avec des packs hybrdes permeen déjà d avor des gans néressans, la echnologe de la pare ranssor ne changean pas, l n y a pas de dffculé parculère à la mse en œuvre de ces composans D un pon de vue économque, le fa que ces packs pussen remplacer drecemen les packs IGBT des conversseurs ferrovares consue un avanage majeur De plus, leurs prx se suan enre celu des packs IGBT-S e celu des packs «ou- SC» ranssors SC e dodes SC, l s ag donc d une premère éape qu devra condure à équper à rès cour erme les conversseurs En revanche, aucun conversseur ferrovare n es aujourd hu équpé de ules de pussance «ou SC», car la mse en œuvre de ranssors SC n es pas évdene e demande pluseurs aménagemens pour profer plenemen des gans du composan De plus, les calbres en enson e couran de ces ules de pussance en SC son encore lmés Malgré cela, à plus long erme, les conversseurs ferrovares avec des packs «ou SC» semblen rès promeeurs e devraen apporer des gans à l échelle de l ensemble de la chaîne de racon ben supéreurs au smple remplacemen des packs IGBT-S par des packs Hybrdes IGBT-S/dodes-SC 89

35 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares II Caracérsaon des premers ules de pussance MOSFET-SC répondan aux besons des sysèmes de racon des Tramways L ensemble des caracérsaons que nous avons effecuées se son basées sur les ules de pussance MOSFET-SC dsponbles sur le marché vor Tableau du Chapre 4 Il s ag de composan de calbre en enson 00 e de calbre en couran souven lmé à une cenane d ampères Afn d augmener les calbres en couran, nous avons dsposé dans nos monages jusqu à 3 ules de pussance en parallèle Ces ules de pussance MOSFET-SC permeen d adresser les premers projes sur des conversseurs auxlares Nous pouvons, par exemple, cer le proje ATAC Advanced Tny Auxlary Converer dans lequel es noammen réalsé un onduleur rphasé sous une enson de bus de 600 pouvan fournr un couran de sore de 85Aeff par phase Sur ce conversseur la fréquence de découpage maxmale es de 5kHz Afn de respecer des conranes fores de masse e de volume, les composans MOSFET-SC permeen d avor un sysème de refrodssemen par convecon naurelle Ces ravaux fon l obje d éudes en cours sur le se ALSTOM de Charlero e les ravaux de caracérsaons réalsés dans cee hèse permeen de les almener Au-delà des conversseurs auxlares, les premères applcaons de racon vsées son les Tramways où les ules de pussance son équpés aujourd hu de packs IGBT A Un proje de R&D sur le se ALSTOM de Tarbes, qu s es appuyé enre aures sur ces ravaux de hèse, a conssé à réalser des packs de pussance permean d aendre des calbres nécessare pour ce ype d applcaons e à moner avec ces composans un premer prooype d onduleur Pour cela, un ule de pussance a éé conçu en assocaon enre ALSTOM, l enreprse DANFOSS qu s es occupé du packagng e l enreprse ROHM qu a fourn les puces MOSFET 700 e dodes Schoky 700 Le boer reenu correspond à un boîer sandard E3XL «Half Brdge» Il a perms de réalser un pack de calbre A pouvan fonconner avec une empéraure de joncon maxmale de 50 C vor Fgure Ce ule de pussance servan de base de comparason avec des soluons acuelles à IGBT-S Fgure - Pack E3XL MOSFET-SC A réalsé dans le cadre d une collaboraon enre ALSTOM, ROHM e DANFOSS Une assocaon de 3 packs en parallèle perme d aendre le calbre nécessare pour une applcaon Tramway c, 750A Un bloc élémenare correspondan à une cellule de commuaon a éé conçu Une assocaon de pluseurs blocs perme ensue de réalser des foncons comme l onduleur vor Fgure 3 Sur cee cellule de commuaon la mse en place d un condensaeur spécfque négran la foncon bus-barre perme d amélorer l équlbrage des courans enre les packs en parallèle e perme surou de rédure l nducance de la boucle de pussance Ans l nducance de boucle équvalene vue par un nerrupeur d un des packs en parallèle es nféreure à 65nH 40nH pour le condensaeur e son bus-barre e 5nH pour un nerrupeur du pack E3XL S nous ramenons cee nducance à un seul ule de pussance équvalen aux 3 packs en parallèle, cela donne une nducance équvalene d envron nh 65nH/3 que nous pouvons drecemen comparer à l nducance de boucle de pussance du ule de Tramway acuel qu vau 80nH Nous voyons donc c que la mse en place de pluseurs cellules de commuaons en parallèle ayan leurs propres 90

36 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares condensaeurs perme de dmnuer les nducances de boucle équvalene De plus, les pares nducves ne son ans parcourues que par un d/d ros fos plus fable dans le cas de mse en parallèle de 3 packs Pour ce qu concerne l allumeur de ces 3 packs, conraremen à celu ms en œuvre pour le monage du Chapre 5, où nous avons un seul «push-pull» de sore pour 3 packs en parallèle, nous ulsons c un «push-pull» par pack Fgure 3 - Concepon d une cellule de commuaon assocan 3 packs E3XL MOSFET-SC A Un exemple de formes d'ondes lors du blocage du MOSFET-SC es présené Fgure 4 Ce résula a éé obenu à parr de la cellule de commuaon de la Fgure 3 avec un monage sur charge nducve e une commande «monocoup» smple-pulse Lors du blocage, l ordre de grandeur des d dsoff /d pour ce ype de composan se sue auour de 0k/µs L ordre de grandeur des di dsoff /d se sue à envron 3kA/µs pour pack Les vesses de commuaons son donc acuellemen un peu plus fables que celle des ules de pussance caracérsés au Chapre 4 mas elles permeen d avor des gans mporans sur les peres lors du blocage comparé à un équvalen en IGBT-S vor résulas au Chapre Dans des condons de caracérsaon smlares, répéées pour T j 5 C, 5 C e 50 C, le d dsoff /d, le di dsoff /d e les peres en commuaons son ous quasmen ndépendans de la empéraure de joncon dem résulas du Chapre 4 Un aure pon remarquable es l absence d oscllaons conraremen au ule 00-00A que nous avons caracérsé au Chapre 4 L absence d oscllaons peu se jusfer par pluseurs pons D une par, comme nous l avons vu précédemmen les vesses de commuaons on dmnué D aure par, nous observons sur les formes d ondes du couran un ralenssemen de sa vesse en fn de commuaon, comme s le composan présena une queue de couran Or nous savons qu l s ag d un composan unpolare d où nore surprse à la vue de ces résulas Une réponse plus probable sera de jusfer ce ralenssemen par des déséqulbres en couran en nerne du ule de pussance Pour jusfer cela des co-smulaons élecrques e élecromagnéques de l néreur du boîer, en enan compe de la dsposon de l ensemble des puces en parallèle, son en cours vor la méhode de smulaons présenée au Chapre 3 Une aure explcaon a éé avancée par le fournsseur des puces qu ndque qu un phénomène de «queue de couran» es observé lorsque les MOSFET-SC on une enue en enson de plus en plus fore, mas le mécansme qu jusfe cela n es pas encore ben comprs Un exemple de formes d'ondes expérmenales lors de l amorçage du MOSFET-SC es présené Fgure 5 Ce résula a éé obenu à parr de la cellule de commuaon présenée à la Fgure 3 avec un monage sur charge nducve e une commande «monocoup» double-pulse Lors de l amorçage, l ordre de grandeur des d dson /d pour ce ype de composan se sue auour de 6k/µs L ordre de grandeur des di dson /d se sue à envron 3kA/µs pour pack Les vesses de 9

37 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares commuaons son donc acuellemen un peu plus fables que celle des ules de pussance caracérsés au Chapre 4 mas elles permeen d avor des gans mporans sur les peres lors de l amorçage comparé à son équvalen en IGBT-S vor résulas au Chapre Dans des condons de caracérsaon smlares, répéées pour T j 5 C, 5 C e 50 C, le d dson /d, le di dson /d e les peres en commuaons son ous quasmen ndépendans de la empéraure de joncon dem résulas du Chapre 4 Fgure 4 - Formes d ondes au blocage de 3 packs E3XL MOSFET-SC A nerrupeur Bas, pour bus 750, I ds 750A, T j 50 C, 0/-5 Fgure 5 - Formes d ondes à l amorçage de 3 packs E3XL MOSFET-SC A nerrupeur Bas, pour bus 750, I ds 750A, T j 50 C, 0/-5 9

38 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Ces premers résulas nous permeen de racer les courbes d énerges en commuaon en foncon du couran commué e de les comparer avec des résulas de packs IGBT-S vor Fgure 6 Pour cela, nous avons chos d ulser les résulas des packs équpan les Tramways acuels, à savor l IGBT MITSUBISHI A CM800DZ-34H-05 Sur ces relevés, pour un couran de 800A, nous obenons une réducon d un faceur supéreur à 9 enre les peres en commuaon oales E off E on E rec du ule IGBT-S e du ule MOSFET-SC Fgure 6 - Energes en foncon du couran commué pour le ule consué de 3 packs MOSFET-SC A E3XL e le ule IGBT-S MITSUBISHI A CM800DZ-34H-05, pour bus 750, I ds [0 à 800]A, Tj 5 C pour l IGBT-S e Tj 50 C pour le MOSFET-SC A parr de ces résulas, nous avons réulsé l oul macro-excel présenée au Chapre 5 afn d esmer les peres pour un pon de fonconnemen onduleur chos Un exemple de comparason de peres dans les sem-conduceurs pour le pon de fonconnemen de l onduleur présené au Tableau, es proposé dans le Tableau Tableau - Réglages des paramères de l onduleur de enson avec commande MLI nersecve : Paramères Commande de l onduleur Chox MLI nersecve Profondeur de ulaon 0,8 Tempéraure de joncon Tenson de Bus Couran de sore 5 C pour l IGBT-S 50 C pour le MOSFET-SC 750 Forme d onde snusoïdale 565,7 A eff 800 A max / 50 Hz cosϕ 0,9 93

39 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Tableau - Exemple de résulas de comparason des peres dans les sem-conduceurs pour un fonconnemen onduleur de enson avec commande MLI nersecve : IGBT-S MITSUBISHI A CM800DZ-34H-05 3 packs MOSFET-SC A E3XL Peres en conducon : P W 55, 6, cond cond T P W 9, 3,4 D P W 64, 644,6 cond T D Peres en commuaon : à f d khz 67,5 30,3 P on off W à f d 5kHz 337,6 5,6 à f d 0kHz 675, 303, à f d khz 57,9 P rec W à f d 5kHz 89,6 5, à f d 0kHz 579, 0,4 Peres oales conducon commuaon : P W oales oales T P W D P W oales T D à f d khz 88,8 64,5 à f d 5kHz 888,7 763,8 à f d 0kHz 36,3 95,3 à f d khz 49,0 33,4 à f d 5kHz 380,7 37,6 à f d 0kHz 670,3 4,8 à f d khz 967,8 675,9 à f d 5kHz 69,4 80,4 à f d 0kHz 3896,6 958, A parr du Tableau, nous pouvons rer une premère concluson Dans l ensemble, nous pouvons dre que les résulas son smlares à ceux que nous avons obenus avec les ules de pussance MOSFET-SC 00 00A Chapre 4 e 5 D une par, les peres en conducon son quasmen les mêmes enre le ule MOSFET-SC e le ule IGBT-S D aure par, nous rerouvons la dmnuon mporane des peres en commuaon qu perme d augmener la fréquence de découpage Il es néressan de comparer la réparon des peres enre le ranssor e la dode anparallèle, nous consaons que dans le cas de l ulsaon de MOSFET-SC les dodes son vramen rès peu sollcées Le calcul des peres dans les sem-conduceurs n es pas suffsan pour fare une comparason valable au nveau du conversseur Il fau comparer les empéraures de joncon pour enr compe du fa que les réssances hermques des MOSFET-SC son plus élevées que l IGBT-S car le boîer de l IGBT-S es dfféren de celu du MOSFET-SC surfaces de puces nsallés dfférenes e surfaces des semelles du boîer dfférenes Il fau donc éuder quel ype de refrodssemen nous pouvons ulser avec le MOSFET-SC Auremen d avor des peres plus fables dans le sem-conduceur es un bon pon mas cela ne suff pas, l fau que la comparason se fasse au nveau des empéraures Pour llusrer cela, nous avons décdé de fxer la empéraure de joncon à la valeur maxmale accepée par les packs 5 C pour l IGBT-S e 50 C pour le MOSFET-SC e nous allons regarder, à parr des réssances hermques fournes par les consruceurs, la empéraure maxmale à manenr au nveau du dsspaeur hermque, pour un pon de fonconnemen onduleur correspondan au Tableau Le Tableau 3 présene le èle hermque que nous avons ulsé Il synhése l ensemble des résulas avec le ule MOSFET-SC e le ule IGBT-S Nous voyons par exemple qu à une fréquence de découpage de khz, nous devons manenr une empéraure au nveau du dsspaeur nféreure à envron 90 C pour l IGBT-S, alors qu elle do êre nféreure à 4,6 C pour le MOSFET-SC En général, les dsspaeurs hermques ulsés dans le 94

40 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares ferrovare permeen de manenr une empéraure d envron 60 C à 80 C ce qu conven asémen pour nos echnologes de composans Lorsque la fréquence de découpage augmene, nous voyons apparaîre les lmes de la echnologe IGBT-S e l avanage du MOSFET-SC En effe, à parr d une fréquence de découpage de 5kHz, l es dffcle vore mpossble de manenr une empéraure au nveau du dsspaeur hermque nféreure à 43,6 C avec les sysèmes de refrodssemen classquemen ulsés dans le ferrovare En revanche, pour le MOSFET-SC, l n y a pas de dffculé parculère pour manenr une empéraure nféreure à 9,8 C Une aure façon de présener ces résulas consse à calculer la réssance hermque maxmale du sysème de refrodssemen qu l fau mere en place pour ne pas dépasser la valeur maxmale de la empéraure de joncon e pour le pon de fonconnemen onduleur chose Pour cela, nous allons fare l hypohèse que la empéraure ambane es de 40 C valeur classquemen ulsée pour ce ype d applcaon Le Tableau 4 donne les valeurs de réssances hermques maxmales à dsposer au nveau du sysème de refrodssemen Nous voyons ans qu avec l IGBT les fréquences de découpage de 5kHz e 0kHz ne peuven pas êre aenes, alors qu avec la echnologe en SC, cela ne pose pas de problème Afn de vor quelle es la echnologe de refrodssemen que nous pouvons ulser pour aendre le pon de fonconnemen chos, nous allons nous appuyer sur les caracérsques des plaques de refrodssemen de la socéé Ferraz vor Fgure 7 Nous avons donc calculé les valeurs des coeffcens de convecon maxmum H max nécessare pour nore sysème vor Tableau 5 Nous rerouvons ans que pour l IGBT-S, à la fréquence de découpage de khz, un sysème de refrodssemen à ar forcé conven e la valeur obenue du coeffcen de convecon es en accord avec celle du sysème de refrodssemen mplané sur le Tramway acuel Ensue, nous rerouvons le fa que, pour l IGBT-S, les pons de fonconnemen à la fréquence de découpage de 5kHz e 0kHz, ne peuven pas êre aens même en changean le sysème de refrodssemen Avec le MOSFET-SC, nous voyons qu l fau auss dsposer d un sysème de refrodssemen à ar forcé, mas les valeurs des coeffcens de convecon éan plus fables que pour l IGBT-S, cela sgnfe que le sysème peu êre plus smple mons de déb d ar e/ou volume rédu Tableau 3 - Exemple de résulas de comparason des empéraures maxmales à manenr sur le dsspaeur hermque pour avor une empéraure de joncon correspondane à la valeur maxmale fxée par le consruceur 5 C / 50 C, pour un pon de fonconnemen onduleur de enson avec commande MLI nersecve : Modèle hermque ulsé Tempéraures C Fréquence de découpage à f d khz à f d 5kHz à f d 0kHz IGBT-S MITSUBISHI A CM800DZ- 34H-05 3 packs MOSFET-SC A E3XL 5 50 à f d khz 3,7 8,3 C C à f d 5kHz 00, 4,07 à f d 0kHz 83,3 8,8 à f d khz 90, 4,6 à f d 5kHz 43,6 9,8 à f d 0kHz -4,4 3,8 95

41 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Tableau 4 - Comparason des réssances hermques maxmales à dsposer au nveau du sysème de refrodssemen pour avor une empéraure de joncon correspondane à la valeur maxmale fxée par le consruceur 5 C/50 C, pour un pon de fonconnemen onduleur de enson avec commande MLI nersecve : Modèle hermque ulsé Réssance hermque maxmales du refrodsseur Fréquence de découpage IGBT-S MITSUBISHI A CM800DZ- 34H-05 3 packs MOSFET-SC A E3XL à f d khz 5,77 88,8 K/kW à f d 5kHz,59 68,38 à f d 0kHz -3,96 50,93 Fgure 7 - Caracérsques des plaques de refrodssemen de la socéé Ferraz H eq : coeffcen de convecon Tableau 5 - Coeffcens de convecon maxmal nécessare pour passer le pon de fonconnemen onduleur chos en consdéran T amb 40 C : Coeffcen de convecon maxmal nécessare H max Wm - K - Fréquence de découpage IGBT-S MITSUBISHI A CM800DZ-34H-05 3 packs MOSFET- SC A E3XL à f d khz 06,4 499,8 à f d 5kHz 34636,8 644,5 en consdéran T amb 40 C à f d 0kHz -3935,6 865, Une fos cee premère analyse effecuée, nous allons poursuvre la démarche de comparason en consdéran un sysème comple de chaîne de racon de Tramway 96

42 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares III Analyse de l nérê des MOSFET-SC sur un parcours ype d une chaîne de racon de Tramways Dans ce chapre, nous allons quanfer, à l échelle d un sysème comple, les gans amenés par les composans MOSFET-SC par rappor à une srucure classque Nous consdérerons l archecure du Tramway présenée au Chapre Pour ce fare, nous avons ulsé le logcel CITHEL qu es un calculaeur développé en nerne chez ALSTOM Transpor pour dmensonner les chaînes de racon CInémaque, THermque e ELecrque Le parcours consdéré es un parcours ypque pour ce ype d engn, à savor l aller-reour de la lgne de Monpeller Ce parcours représene envron h30 de raje, pour 8km, avec en ou 53 saons aller-reour Il s ag là d un parcours représenan le régme normal du Tramways régme dmensonnan pusqu l représene envron 90% du emps de la ve du produ Ce logcel CITHEL ne perme pas de prendre en compe la bdreconnalé en couran des MOSFET-SC, mas comme nous l avons vu dans la pare du chapre 5, l erreur que nous allons fare se sue surou sur la réparon des peres en conducon enre la pare ranssor e la pare dode, mas globalemen le calcul des peres oales en conducon rese correc Dans l avenr, l faudra adaper le logcel CITHEL afn qu l pusse enr compe des propréés du MOSFET-SC Pour commencer, nous avons smplemen remplacé les packs IGBT-S acuels CM800DZ- 34H-05 par les packs MOSFET-SC 3 packs E3XL A Nous les avons auss remplacés par des packs hybrdes comprenan un IGBT-S de dernère généraon e une dode Schoky-SC en anparallèle Msubsh CMH00DC-34S La Fgure 8 présene les relevés des empéraures de joncon de la pare ranssor en foncon du emps de parcours ands que la Fgure 9 présene les relevés des empéraures de joncon de la pare dode en foncon du emps de parcours La Fgure 0 présene les relevés des empéraures de boîer «case» en foncon du emps de parcours Nous consaons que les empéraures de joncon moyennes ans que les varaons de empéraures auour de la valeur moyenne cyclage hermque dmnuen lorsque nous changeons de echnologes de composans vor Tableau 6 Tableau 6 - Synhèse des mesures de empéraures moyennes e maxmales sur parcours : Tempéraures IGBT-S MITSUBISHI A CM800DZ-34H-05 Hybrde IGBT-S / Dode-SC MITSUBISHI A CMH00DC-34S 3 packs MOSFET- SC A E3XL aleur Moyenne sur parcours aleur Maxmale sur parcours C 63,7 5,3 47,7 C 63,0 5, 47,8 C 6,7 50,4 46,7 C 85,8 63, 59,6 C 8,9 6, 59,7 C 75,4 58, 50,6 97

43 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Fgure 8 - Relevés des empéraures de joncon de la pare ranssor en foncon du emps de parcours Comparason des IGBT-S acuels CM800DZ-34H-05 avec les MOSFET-SC 3 packs E3XL A e avec le pack hybrde CMH00DC-34S Fgure 9 - Relevés des empéraures de joncon de la pare dode en foncon du emps de parcours Comparason des IGBT-S acuels CM800DZ-34H-05 avec les MOSFET-SC 3 packs E3XL A e avec le pack hybrde CMH00DC-34S 98

44 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Fgure 0 - Relevés des empéraures de boîer «case» en foncon du emps de parcours Comparason des IGBT-S acuels CM800DZ-34H-05 avec les MOSFET-SC 3 packs E3XL A e avec le pack hybrde CMH00DC-34S Ces améloraons von mpacer drecemen la durée de ve des composans Pour cela, nous avons esmé la durée de ve du ule de pussance avec les brasures à parr de T case, les bondn des ranssors à parr de T jranssor e les bondn des dodes à parr de T jdode Nous avons ulsé la méhode par compage de cycles Ranflow [6] [7] en consdéran les mêmes caracérsques enre les 3 echnologes de composans Nous fasons ans une erreur sur la prse en compe des plus fores densés de couran des composans SC mas ces ules comporen ben les mêmes allages de brasures e les mêmes echnologes de bondn en Alumnum La Fgure présene le nombre de cycles pour un parcours aller-reour mage de la durée de ve en foncon de la gamme de empéraure, pour le ranssor e ses bondn, pour la dode e ses bondn, pour la brasure de la semelle Il es mporan de noer que ce nombre de cycles a éé obenu pour un parcours aller-reour e servra de base pour effecuer des calculs de durée de ve, en enan compe du nombre de parcours effecué par jour du nombre, du nombre de jour consdéré par année e du nombre d année d exploaon du Tramway Sur ces relevés, nous consaons que, lorsque nous changeons de echnologes de composans, nous avons mons de varaons mporanes de empéraures e plus de varaons de empéraures de fable amplude «barres» qu se regroupen vers la gauche, donc la durée de ve es augmenée 99

45 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares a T j ranssor b T j dode c T case Fgure - Nombre de cycles pour un parcours aller-reour mage de la durée de ve en foncon de la gamme de empéraure, pour le ranssor e ses bondn a, pour la dode e ses bondn b, pour la brasure de la semelle c e ceux pour les 3 echnologes de composans La Fgure présene les relevés de l énerge perdue dans l onduleur en foncon du emps de parcours Nous consaons que sur un parcours comple, le passage de l IGBT-S acuellemen ulsé sur les Tramways au MOSFET-SC, nous perme de rédure de 58% l énerge perdue dans l onduleur La Fgure 3 présene le rendemen de l onduleur en foncon de la vesse de déplacemen du Tramway L ensemble de ces relevés llusre ben l appor d un changemen de echnologe de composans sur l onduleur, d une par sur la hermque e la durée de ve du ule e d aure par sur le rendemen En revanche, s nous nous néressons à l énerge consommée sur la caénare, nous consaons que l améloraon du rendemen de l onduleur n a que peu d mpac à l échelle de la chaîne de racon complèe vor Fgure 4 00

46 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Fgure - Relevés de l énerge perdue dans l onduleur en foncon du emps de parcours Comparason des IGBT-S acuels CM800DZ-34H-05 avec les MOSFET-SC 3 packs E3XL A e avec le pack hybrde CMH00DC-34S Fgure 3 - Relevés des rendemens de l onduleur en foncon de la vesse du Tramway Comparason des IGBT-S acuels CM800DZ-34H-05 avec les MOSFET-SC 3 packs E3XL A e avec le pack hybrde CMH00DC-34S 0

47 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares a b Fgure 4 - Relevés des énerges consommées sur la caénare a e relevés du rao énerge caénare sur énerge onduleur b en foncon du emps de parcours Comparason des IGBT-S acuels CM800DZ- 34H-05 avec les MOSFET-SC 3 packs E3XL A e avec le pack hybrde CMH00DC-34S Ces premères smulaons llusren pluseurs pons mporans pour la mse en œuvre de nouveaux composans Tou d abord, nous pouvons dre qu un smple remplacemen des packs par une echnologe hybrde IGBT-S/dode-SC s avère rès néressan à cour erme, pusque les fcaons ne son pas mporanes e les packs s nsallen en leu e place des IGBT-S classque De plus, nous savons que ce son souven les lmes de la dode S qu conragnen le sysème En revanche, ben que des gans soen ms en évdence, un smple remplacemen des packs par une echnologe «ou SC» ne suff pas pour répondre aux besons En effe, le coû des composans «ou SC» encore rop élevé do nous condure à adoper une concepon sysémque en effecuan par exemple un chox de nouvelles echnologes pour le refrodssemen ou le moeur de racon qu permeraen de rédure cerans coûs ou en augmenan le rendemen de chaîne de racon I Les besons à l échelle du sysème de racon ferrovare e les réponses apporées par l ulsaon MOSFET-SC I Les besons e/ou conranes à l échelle du sysème de racon ferrovare Nous allons lser les prncpales conranes e besons spécfques aux chaînes de racon ferrovare E cela, dans le bu de ben comprendre quels son les enjeux e défs permanens auxquels un consruceur ferrovare es confroné 0

48 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares oc une lse de quelques exemples de besons e/ou conranes lés aux chaînes de racon ferrovare : - Réducon des volumes e des masses des élémens consuan la chaîne de racon - Conrane de masse à l esseu - Conrane de chocs e vbraons - Conrane d adhérence roue-ral - Almenaon sous des réseaux de ensons dfférenes - Améloraon du rendemen de la chaîne de racon - Conranes de compablés élecromagnéques par exemple, la sgnalsaon - Manenance - Fablé e durée de ve Parm ces conranes, nous pouvons asémen comprendre que la place e la masse ulsées par les équpemens de racon ne le son pas par des passagers, ce qu représene une conrane fore pour les exploans ferrovares e jusfe l effor fourn par les consruceurs ferrovares pour dmnuer les masses e les volumes de leurs chaînes de racon Ans sur les Tramways nous avons vu que les coffres de racon son sués en oure e nous pouvons donc comprendre que l espace y es rédu e que la srucure ne peu pas acceper des coffres rop lourd La mse en place de planchers bas, qu perme l accès aux personnes à moblé rédue, lme la place sous casse Il fau alors des esseux de plus en plus compacs alle de moeur rédue, poson des moeurs sur l esseu, compacé des réduceurs D aure par, nous avons auss une conrane fore sur la masse à l esseu don la lme dépend des caracérsques de l'nfrasrucure de ranspor 7 onnes par esseu es une lme communémen ulsée Par alleurs, l augmenaon du rendemen des chaînes de racon es un beson de plus en plus d acualé pusque les exploans ferrovares demanden des sysèmes de compage de l énerge e que le coû du klowaheure ne cesse d augmener Cela va ndrecemen dans le sens de la dmnuon des émssons de CO en améloran l effcacé énergéque du maérel roulan Un aure beson es la dmnuon du bru des nusances sonores des chaînes de racon Pour ce qu concerne les coffres de racon, nous avons prncpalemen des brus de venlaon ou de vbraon par magnéosrcon des composans magnéques [8] I Les réponses apporées par l ulsaon de ules de pussance MOSFET-SC Le SC va permere de repousser les lmes des conversseurs dans ros drecons : enue en enson élevée, haue empéraure de fonconnemen e rapdé de commuaon vor Chapre Comme nous avons pu le vor en déal dans ce documen de hèse, les premers ules de pussance en MOSFET-SC permeen essenellemen de bénéfcer de melleures vesses de commuaon e ans de rédure les peres dynamques En ce qu concerne la haue empéraure, les ules MOSFET-SC acuels permeen en général d aller jusqu à une empéraure de joncon de 50 C [9] Du pon de vue de la enue en enson, nous avons vu en déal dans le chapre que les éudes semblen rès promeeuses sur le suje Pour les applcaons ferrovares, la fore enue en enson des composans perme d envsager à moyen erme des archecures nouvelles avec des composans de pussance drecemen placés sur la caénare 5k-50Hz ou 5k-6Hz /3 grâce à des mses en sére de blocs élémenares [0] [] [] Touefos, nous savons que les premers ules de pussance MOSFET-SC commercalsés se lmen acuellemen à des enues en enson de 00, vore 700 Le gan prncpal amené par l ulsaon de ces ules de pussance MOSFET-SC se sue donc au nveau de leur capacé à commuer rapdemen 03

49 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares Une premère possblé es de profer de la dmnuon des peres du conversseur pour mnmser la alle du sysème de refrodssemen vore même à changer sa echnologe Sur l onduleur de racon du Tramways, nous avons vu que le sysème de refrodssemen es composé d un panneau à ar à convecon forcée Or l ulsaon de venlaeurs pose des problèmes de brus, de vbraons, de fablé e de manenance pusqu l s ag d un sysème mécanque La possblé de passer en convecon naurelle amènera donc d mporans gans au nveau du sysème En conservan le même sysème de refrodssemen, nous pouvons auss envsager d augmener la pussance du conversseur ou sa fréquence de découpage Sur les applcaons ferrovares ulsan des hacheurs abasseurs, comme c es le cas de cerans ram-rans passage de caénare à 500 DC à un bus DC à 750 DC, l augmenaon de la fréquence de découpage devra permere de rédure la alle des élémens de flrage en sore du hacheur abasseur Dans le cas d une almenaon drece en 750, la valeur de l nducance du flre d enrée de l onduleur es fxée par un gabar fréquenel d mpédance normalsé L augmenaon de la fréquence de découpage de l onduleur ne perme donc pas de rédure la alle des nducances d enrées Malgré cela, l augmenaon de la fréquence de découpage devra permere de dmnuer les courans harmonques e donc de respecer beaucoup plus faclemen les gabars harmonques des courans fxés par la norme EN 50 vor Chapre D aure par, l augmenaon de la fréquence de découpage de l onduleur va sans doue permere de smplfer les sraéges de commande En effe, pour la plupar des applcaons en racon, nous allons avor une MLI asynchrone pour les fables vesses du moeur, ensue une MLI synchrone à angles calculées e enfn un fonconnemen en plene onde pour les vesses élevées [3] Cela s explque par le fa que la fréquence de découpage rese fable e relavemen proche de la fréquence ulane, ce qu oblge à adoper ces dfférens ypes de commandes en foncon de la vesse Sur le Tramways, ce problème apparaî mons pusque nous arrvons à adoper une commande unquemen du ype MLI asynchrone, avec une fréquence de découpage de 700Hz pour une fréquence ulane allan jusqu à 70Hz e une fréquence de découpage de 50Hz pour une fréquence ulane allan jusqu à 30Hz Malgré ou, s nous pouvons augmener la fréquence de découpage, l sera sans doue néressan de garder une MLI asynchrone avec une unque valeur de fréquence de découpage sur oue la plage de vesse du moeur Ce nouveau chox de sraége de commande, assocé à l augmenaon de la fréquence de découpage, devra permere d avor un mpac au nveau des peres du moeur par réducon des courans harmonques Cee dmnuon des peres peu condure à une smplfcaon de son sysème de refrodssemen e conrbuer à rédure le bru acousque La possblé d augmener la fréquence de découpage perme auss d envsager des fréquences saorques plus mporanes afn d augmener le nombre de pares de pôles ou d augmener la vesse de roaon du moeur Ce derner pon présene un nérê majeur car à pussance égale le couple va donc dmnuer ce qu permera ans de rédure le volume e de la masse du moeur Touefos, l faudra effecuer un blan de l ensemble du sysème car s la vesse du moeur augmene, l faudra changer la echnologe du moeur e celle du réduceur de vesse enre le moeur e l esseu Préconsaons de mse en œuvre des MOSFET-SC dans les conversseurs ferrovares La mse en œuvre de MOSFET-SC ne se fera pas sans revor la concepon des conversseurs ferrovares Archecure générale du «cœur pussance» à base de MOSFET-SC Pour concevor un conversseur, l fau consdérer que le ule de pussance MOSFET-SC, l allumeur, les condensaeurs e les bus-barres consuan une cellule de commuaon son ndssocables Afn de bénéfcer d une vesse élevée lors du blocage du composan, nous devons mnmser l nducance de la boucle de pussance afn de lmer la surenson e les oscllaons qu s en suven Pour cela, chacun des élémens consuan la cellule de commuaon do êre opmsé [4] Il 04

50 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares fau prvléger des srucures de bus-barres sans rupure pour aller des condensaeurs jusqu au ule de pussance Pour amélorer le condensaeur de flrage, les echnologes avec des connexons nernes de ype bus-barres enre les condensaeurs élémenares son sédusanes De plus, pour mnmser l nducance des nerfaces, l fau porer une aenon oue parculère aux connecques de sore des condensaeurs, par exemple en prvlégan un grand nombre de pons de sores e/ou en prvlégan des connexons aux nerfaces par bus-barres e/ou par lamelles mul-conacs D aure par, ces condensaeurs ayan une plus fable nducance nerne, le pc de couran lors d un cour-crcu rsque d êre plus mporan Ans, l ne faudra pas que cee conrane oblge les consruceurs à dégrader les nducances nernes afn de enr les cours-crcus Pour mnmser l nducance des bus-barres de pussance, l fau mnmser les nducances propres e augmener les nducances muuelles en ravallan préalablemen la géomére par des cosmulaons élecrques e élecromagnéques vor Chapre 3 Il fau peu-êre alors envsager des soluons de bus-barres mulcouches afn d augmener les nducances muuelles [5] Des ravaux son auss à mener sur les soluons d nerface des bus-barres de ype mul-conacs «embrochages» Pour ce qu concerne les boîers des composans, la confguraon «half brdge» es à prvléger, c es-à-dre, une cellule de commuaon complèe De plus, l fau préférer des boîers ayan des connecques de pussance Plus e Mons rès proche, avec le maxmum de surface en regard, cec afn de maxmser les nducances muuelles vor breve présené au Chapre 3 e facler les lasons avec le bus-barre Il fau auss prvléger une sore Phase à l opposé des sores Plus e Mons afn que la barre de Phase ne nous oblge pas à dégrader la lason avec le bus-barre de pussance En nerne du boîer, l fau que les consruceurs de composans fassen des effors parculers pour mnmser les nducances parases D aure par, pour augmener les calbres en couran, les ules de pussance von comporer un grand nombre de puces en parallèle e l fau donc veller à la réparon équable du couran enre ces puces en parallèle ce qu peu êre conradcore avec la réducon de l nducance de la boucle de pussance du ule La géomére du ule do donc assurer le bon comproms enre l équlbrage du couran enre les puces e la dmnuon des nducances parases Pour cela, les nouvelles echnologes d nerconnexons de ype «Bump» peuven consuer une soluon néressane Sur ce ype de echnologe e sur la réalsaon de boîer fable nducance nerne, des ravaux on éé menés par ALSTOM au ravers de l assocaon PRIMES Plae-forme d nnovaon mécaronque de pussance e managemen de l énerge [6] revor auss le pack qu es présené dans la pare I4 du Chapre 3 Les cellules de commuaon élémenares doven êre, le plus possble, découplées les unes des aures pour rédure vore supprmer les nducances communes La opologe de pussance do endre vers un découplage parculer e opmsé pour chaque bras En effe, une même nducance n a pas les mêmes mpacs sur la varaon de enson, en l occurrence sur la surenson au blocage du composan, s elle es parcourue par une varaon de couran d/d ou une varaon de couran N*d/d avec N le nombre de cellule de commuaon en parallèle Il es sans doue néressan de dsposer pluseurs packs en parallèle ayan chacun leur propre découplage Cependan, l es dffcle de connecer les cellules de commuaons enre elles en évan les échanges de couran, l fau donc veller à ce que les neracons oscllaons enre les dfférens condensaeurs relés par les bus-barres ne posen pas de problèmes d échauffemen e ne nous oblgen pas à sur-dmensonner les condensaeurs D aure par, l fau auss fare aenon à l équlbrage en couran des élémens ms en parallèle S nous poussons le rasonnemen jusqu au bou, l ne fau plus consdérer de manère ndépendane les dfférens élémens de la cellule de commuaon, les condensaeurs, les busbarres e les ules [7] [8] En effe, l va fallor ravaller avec ous les consruceurs de ces élémens pour consrure un ensemble ayan une fable nducance de pussance Ensue, comme nous l avons vu dans le chapre 3, nous devons prvléger des boîers ayan une fable valeur d nducance commune pussance-commande, c es-à-dre, des boîers où la sore source de commande es ben séparée de la sore source de pussance Par alleurs, l nducance de la boucle de commande ne pose de réels problèmes que lorsque la valeur de la réssance de grlle es rès fable En revanche, la mse en parallèle des packs nous oblge à veller à ce que les valeurs des nducances de boucle de commande soen le plus équlbrées possbles Pour ce 05

51 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares fare, les ouls de smulaons présenés au chapre 3 prennen ou leur nérê dans la phase de concepon du conversseur Crcu d allumage Pour les allumeurs, l fau des nveaux de enson dfférens de ceux classquemen ulsés aujourd hu avec l IGBT-S 5/-5 ou 5/- Pour les MOSFET-SC acuels, l s ag d une commande effecuée en 0/-5 De plus, comme nous l avons d précédemmen, l fau équlbrer les nducances de commande enre les dfférenes cellules de commuaon élémenares mses en parallèle afn d avor une commuaon synchrone Pour cela, dfférenes façons de réalser l éage de sore de l allumeur doven êre éudées afn de chosr la soluon la plus opmale Par exemple, dans nore monage «méhode d opposon», nous avons dsposé d un seul éage «pushpull» de sore pour 3 ules de pussance en parallèle alors que sur le monage présené à la Fgure 3, nous avons prvlégé la mse en œuvre d un «push-pull» par ule de pussance avec une lason parculère permean d équlbrer au meux la commande des dfférenes cellules de commuaon en parallèle D aure par, comme ces cares allumeurs son suées au plus proche des ules, l fau réévaluer à la hausse les mmunés requses aux varaons de champ E e H Cela peu condure à un «blndage» de la care ou de cerans de ses composans e à des placemens parculers pour le rouage Il fau auss mnmser les effes des couplages capacfs des organes d solaons Cela pourra condure à augmener les fréquences des almenaons dans le bu de rédure les couplages au nveau des ransformaeurs, ou rajouer des flres de e commun Une soluon pour dmnuer les problèmes de e commun es de dsposer d un allumeur ulsan une soluon avec une almenaon drece sur la haue enson S nous souhaons augmener les fréquences de découpage e fonconner avec des emps mors rédus, l fau s assurer que les reards des allumeurs resen fables noammen les opocoupleurs De même, le emps de déecon du cour-crcu, qu es aujourd hu avec les IGBT-S de 0µs, do ceranemen êre rédu vor essas présenés au chapre 4 Par alleurs, l fau noer que les sysèmes exsans pour proéger le composan asen localemen au nveau de l allumeur en effecuan une comparason du sgnal de commande e de l éa de l nerrupeur ouver ou fermé Cee acon proche du composan es assez rapde e devra ben fonconner lorsque la fréquence de découpage va augmener Ensue, l exse deux ypes de façons pour remoner l nformaon de défau de l allumeur à l élecronque de commande Une premère nommé «reour d éa» consse à remoner drecemen l éa de l nerrupeur sur l élecronque de commande qu va refare une comparason en nerne avec le sgnal de commande Cee acon demande un emps de cycle supplémenare e rsque de poser des problèmes lorsque la fréquence de découpage va augmener De plus, nous avons en général un «reour d éa» par nerrupeur ce qu perme pour les onduleurs rphasés de fore pussance en racon, de réalser la foncon de «symérsaon» qu consse à fermer les ros nerrupeurs supéreurs respecvemen nféreurs lorsqu un cour-crcu es déecé sur un des nerrupeurs supéreurs respecvemen nféreurs Cee echnque perme ans de lmer le couple de cour-crcu du moeur à-coup de couple ou/e conranes mécanques La deuxème façon permean de remoner l nformaon de défau de l allumeur à l élecronque de commande se nomme «reour défau» Cee fos, c es l allumeur qu effecue drecemen en local la comparason du sgnal de commande e du reour d éa de l nerrupeur ouver ou fermé e qu peu auss effecuer la prse en compe d aures ypes de défau comme la déecon de la chue de la enson d almenaon de l allumeur Il renvoe à l élecronque de commande une nformaon globale de défau En général, le «reour défau» es unque par bras de commuaon ce qu ne perme pas de réalser la foncon de «symérsaon» Pour conclure, afn de fonconner à des fréquences de découpages élevées, l fau donc prvléger la echnque par «reour défau», mas l faudra sans doue avor un «reour défau» par nerrupeur afn de conserver la foncon de «symérsaon» D aure par, nous avons vu au Chapre 4 que les MOSFET-SC on une enue en cour-crcu plus fable que celle des IGBT-S Il fau peu-êre envsager des aménagemens parculers au nveau de l allumeur, noammen, pour dmnuer la enson de commande de conducon lors d un cour- 06

52 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares crcu par exemple, en passan de 0 à 5 e ans permere aux composans de les supporer pendan des durées plus mporanes 3 Les câblages enre la commande e l allumeur Les câblages enre la commande e l allumeur doven permere d aendre les fréquences de découpages vsées Pour cela, l fau déermner sur les longueurs maxmales admssbles, le ype de câble e son blndage évenuel Il fau éuder la mse en forme des sgnaux nveaux e forme d onde e sans doue prvléger une ransmsson dfférenelle comme c es le cas sur cerans allumeurs acuels, cela éve la ransmsson de commandes erronées e donc le cour-crcu de bras Ben enendu, la soluon par ulsaon de fbres opques perme de bénéfcer d une bonne mmuné, ou en ayan une bonne rapdé de ransmsson du sgnal vesse de la lumère Touefos, l fau quand même évaluer l effe du rajou d émeeurs opques dans la commande e les conranes lées à l nsallaon de la fbre opque dans le coffre de racon 4 L augmenaon des empéraures Pour ce qu concerne l augmenaon de la empéraure de joncon des composans SC, ben que les ules MOSFET-SC acuels soen encore lmés à 50 C, l es mporan de enr compe de l envronnemen du composan afn de profer de cee possblé Au-delà des ravaux à effecuer sur la echnologe des boîers, l fau que les allumeurs supporen des empéraures plus élevées, d auan plus que nous devons les placer au plus proche des packs Il fau auss que les condensaeurs de découplage, les bus-barres e leurs solans ennen des empéraures plus mporanes 5 La compablé élecromagnéque De manère globale, les composans SC nécessen des monages de plus en plus négrés ce qu va fer foremen les conranes élecrques, hermques e élecromagnéques Sur le plan de la Compablé Elecromagnéque CEM de nouveaux problèmes von apparaîre [9] [0] L ensemble des conranes ndusrelles, que nous avons cées, nous amènen à envsager des conversseurs sur lesquels les fréquences de découpages e les vesses de commuaon von augmener d/d e di/d élevés e plus fréquens Cela se radu par une augmenaon mporane des harmonques à haues fréquences HF qu devennen des sources de perurbaons qu von excer des élémens parases jusqu alors nsgnfans comme les nducances des conduceurs ou les capacés enre conduceurs vosns Tou d abord, l fau essayer de lmer les émssons condues, en commençan par les courans de e dfférenel qu effecuen une boucle dans les conduceurs de pussance enre la source e la charge Ensue, l fau essayer de lmer les courans de e commun, c es-à-dre, les courans qu crculen dans les fls de erre par couplage capacf Pour cela, l fau sans doue renforcer les flres CEM afn de fer avanageusemen les chemns de propagaon des perurbaons Par alleurs, des mesures devron êre effecuées sur des monages avec les IGBT-S pus avec les MOSFET-SC e cela pour dfférenes valeurs de la fréquence de découpage afn de ben analyser l mpac de ces nouveaux composans sur les équpemens envronnans Les solans des moeurs, des ransformaeurs e des câbles devron êre capables de résser à des d/d élevés e plus fréquens s la fréquence de découpage augmene Pour les solans moeurs par exemple, la norme IEC TS a éé éable à parr de ravaux sur les conversseurs IGBT acuels d/d < 5k/µs Il faudra donc effecuer des éudes de vellssemen des solans avec d/d élevés D aure par, les roulemens des moeurs peuven eux auss se dégrader de manère prémaurée sous l effe prncpal des courans de e commun, l faudra ans en éuder l usure afn de maîrser la fablé de cee pèce mécanque Pour plus de déals sur ce suje vor : [] [] [3] Aux perurbaons en courans HF, l fau auss enr compe des perurbaons en enson qu apparassen noammen lorsque la dsance es mporane câbles lon enre le conversseur e la charge, le moeur par exemple norme EN

53 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares En plus des émssons condues, nous allons auss augmener les émssons rayonnées qu son des perurbaons des champs élecrques e magnéques générés par les élémens du sysème les normes CEM cblen la bande de fréquences enre 30MHz e GHz I Références du chapre 6 [] Ogawa Kazuosh, Ishkawa Kasum, Kameshro Norhum, Onose Hdekasu, and Nagasu Masahro, "Tracon Inverer ha Apples SC Hybrd Module," PCIM0 Europe, Nuremberg, Germany, no paper 96, pp , 7-9 May 0 [] Kasum Ishkawa, Kazuosh Ogawa, Norhum Kameshro, Hdekasu Onose, and Masahro Nagasu, "Inverer Loss Reducon Usng 3k SC-JBS Dode and Hgh-Speed Drve Crcu," Maerals Scence Forum, vol , pp 7-30, 00 [3] Msubsh Elecrc Consulé en 0 Se de la socéé Msubsh Elecrc dans les "News" [Onlne] hp://wwwmsubshelecrccom/news/0/003zoom0hml [4] Consulé en 0 Se nerne Drves&Conrols Janver 00 : "Slcon carbde IGBT ule s `world s larges`" [Onlne] hp://wwwdrvescouk/fullsoryasp?d796 [5] T Kobayash, Y Nakashma, K Kaneko, Y Yamasha, and A Murahash, "Energy Savng Operaon for Ralway Inverer Sysem wh SC Power Module," PCIM0 Europe, Nuremberg, Germany, no 70, pp , 8-0 May 0 [6] "Fague sous sollcaons d amplude varable Méhode Ranflow de compage," AFNOR, Norme françase A , -3, 993 [7] RJ Anhes, "Modfed ranflow counng keepng he load sequence," Inernaonal Journal of Fague, vol 9, no 7, pp , Ocober 997 [8] F Devaux, S Ryder, and M Rösner, "Bru généré par les ransformaeurs e bobnes d nducances : dfférens ypes e dfférenes soluons," MaPos003, nd European Conference on H & M Subsaon Equpmen, Lyon, France, 0- Novembre 003 [9] C Raynaud, D Tourner, H Morel, and D Planson, "Comparson of hgh volage and hgh emperaure performances of wde bandgap semconducors for vercal power devces," Damond & Relaed Maerals, vol 9, pp -6, -6 January 00 [0] J Casarn, P Ladoux, B Chaucha, D Dedecus, and E Laugh, "Evaluaon of hgh volage SC dodes n a medum frequency AC/DC converer for ralway racon," Inernaonal Symposum on Power Elecroncs Elecrcal Drves Auomaon and Moon SPEEDAM, Sorreno, Ialy, pp 8-86, June 0 [] J Casarn, P Ladoux, J Marn, and B Chaucha, "AC/DC converer wh medum frequency lnk for ralway racon applcaon Evaluaon of semconducor losses and operang lms," Inernaonal Symposum on Power Elecroncs Elecrcal Drves Auomaon and Moon SPEEDAM, Psa, Ialy, pp 706-7, June 00 [] J Marn, P Ladoux, B Chaucha, J Casarn, and S Ncolau, "Medum frequency ransformer for ralway racon : Sof swchng converer wh hgh volage sem-conducors," Inernaonal Symposum on Power Elecroncs Elecrcal Drves Auomaon and Moon SPEEDAM, Ischa, Ialy, pp 80-85, June 008 [3] Sephan Laurenu Capaneanu, "Opmsaon de la foncon MLI d un onduleur de enson deux-nveaux," Insu Naonal Polyechnque de Toulouse, Toulouse, Thèse de docora N d'ordre : 95, 00 [4] Eckar Hoene, "ECPE Workshop : "Parasc effecs n Power Elecroncs"," Bern, Germany, ECPE Workshop 3-4 February 0 [5] Zohra Louns, "Appors des echnques de cablâges lamnares dans un onduleur à IGBT de moyenne pussance," Insu Naonal Polyechnque de Lorrane, Thèse de docora 9 Décembre 000 [6] consulé en 03 se assocaon PRIMES [Onlne] hp://wwwprmes-nnovaoncom 08

54 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares [7] Sawyer Edward, "Low Inducance Low Temp Rse DC Bus Capacor Properes Enablng he Opmzaon of Hgh Power Inverers," PCIM00 Europe, Nuremberg, Germany, pp 75-80, 4-6 May 00 [8] MA Brubaker, H C Krbe, and T A Hoskng, "Inegraed DC Lnk Capacor/Bus Srucures o Mnmze Exernal ESL Conrbuon o olage Overshoo," ITEC 0, IEEE Transporaon Elecrfcaon Conference, Hya Regency Dearborn Dearborn, MI, USA, pp -6, June 0 [9] Emmanuel Basa, "Nouvelles Srucures Elecronques pour le Transpor Elecrque Impacs des nouvelles conranes d'négraon sur les nerférences élecromagnéques e moyens de prévson de la Compablé Elecromagnéque," Unversé Paul Sabaer, Toulouse III, Thèse de docora Sepembre 009 [0] G Champo, Marse de la CEM : Technologe, règlemenaon, normes, Dunod, Ed, 003 [] GL Skbnsk, RJ Kerkman, and D Schlegel, "EMI emssons of ern PWM AC drves," IEEE Indusry Applcaons Magazne, vol 5, no 6, pp 47-8, November-December 999 [] TR Mukundan, "Calculaon of volage surges on moors fed from PWM drves - A smplfed approach," IEEE Transacons on Energy Converson, vol 9, no, pp 3-5, March 004 [3] S Ogasawara and H Akag, "Suppresson of common-e volage n a PWM recfer/nverer sysem," Indusry Applcaons Conference, Thry-Sxh IAS Annual Meeng, vol 3, pp 05-0, Sepember-Ocober 00 09

55 CHAPITRE 6 : Conclusons e perspecves d ulsaon des composans SC dans les conversseurs ferrovares 0

56 Concluson Concluson Dans la racon ferrovare où la réducon des masses e des volumes es une nécessé, la dmnuon des peres dans les conversseurs saques va condure à mnmser la alle du sysème de refrodssemen vore même à changer sa echnologe e ce d auan plus que les composans SC von permere de repousser la lme de empéraure de joncon maxmale D un aure côé, l sera auss possble d augmener la fréquence de découpage afn de dmnuer la alle des composans passfs de flrage Néanmons, de nombreux défs resen à relever pour pouvor ulser ces composans Il fau noammen éuder les effes des oscllaons lors des commuaons sur la CEM, dmnuer drasquemen les nducances de boucles côé pussance e côé commande e regarder les effes des fors dv/d sur l solemen des bobnages des moeurs de racon Un aure verrou à fare sauer pour l ulsaon de ces composans dans la racon ferrovare es l augmenaon des calbres en couran des ules Ans, l es nécessare de concevor une nouvelle echnologe de ules qu permera de connecer en parallèle un grand nombre de puces L éude de la dsrbuon du sgnal de commande de l allumeur aux dfférenes grlles des puces es donc auss prmordale Une élsaon globale e une opmsaon de la concepon de la cellule de commuaon es nécessare, cec en paran des condensaeurs, du bus-barre, jusqu à arrver aux sem-conduceurs Ce n es qu à ce prx que les vesses de commuaon élevées e de fores capacés en couran pourron êre aenes Ces ravaux de hèse on perms de démonrer la fasablé d un bras d onduleur de for calbre en couran/enson fonconnan à haue fréquence Nous avons noammen pu confrmer les gans en peres e dégager un ceran nombre de préconsaons de mse en œuvre Par alleurs, nous avons ms au pon e valdé un ceran nombre d ouls méhodes de calculs, de smulaons, de mse en œuvre des bancs d essa qu pourron servr à la concepon e à la valdaon des fuurs conversseurs de racon à base de composans SC

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58 ANNEXES 3

59 Sommare Annexe I : Propréés du Carbure de Slcum - Crsallographe 6 Annexe II : L oxydaon du SC, une conrane echnologque dans le processus de fabrcaon des composans SC el que le MOSFET 7 Annexe III : Mse en équaons des dfférenes phases des commuaons d un MOSFET-SC de pussance sur charge nducve 8 III Le blocage d un MOSFET de pussance 8 III Phase : 0 phase de «sur-seul» 8 III Phase : phase de «zone acve»9 III3 Phase 3 : 3 phase de «zone acve» III4 Phase 4 : 3 4 phase de «sous-seul» 3 III L amorçage d un MOSFET de pussance 4 III Phase : 0 phase de «sous-seul» 4 III Phase : phase de «zone acve»5 III3 Phase 3 : 3 phase de «zone acve»6 III4 Phase 4 : 3 4 phase de «sur-seul» 8 III3 Impac de l améloraon du crcu hacheur sur charge nducve sur les mses en équaons des dfférenes phases de commuaon 9 III3 Ajou du èle du MOSFET du hau bloqué 9 III3 Blocage du MOSFET 9 III3 Amorçage du MOSFET 30 III3 Ajou du èle de la Dode du Bas 3 III3 Blocage du MOSFET 3 III3 Amorçage du MOSFET 3 Annexe I : Mse en équaon de l nfluence de l nducance de boucle de pussance sur les commuaons du MOSFET de pussance 3 I Lors du blocage du MOSFET de pussance 3 I Lors de l amorçage du MOSFET de pussance 34 Annexe : Défnon héorque de l nducance de boucle au nveau d un bus-barre 35 Annexe I : Les apparels de mesures nécessares pour la caracérsaon dynamque de ules de pussance MOSFET-SC 36 I La mesure de couran 36 I Le ransformaeur de couran TC, ou TI 36 I Le capeur à effe Hall 38 I3 Le capeur à bobne de Rogowsk 38 I4 Le Shun de mesure 40 I5 Concluson sur le chox du capeur de couran pour nore monage 40 I6 Crères clés permean d effecuer le chox d un Shun 4 I6 La bande passane de l apparel 4 I6 Les conranes hermques sur le Shun 4 I63 La chue de enson amenée par le Shun 43 I La mesure de la enson 43 I Les sondes passves 43 I Les sondes acves 43 I3 Concluson sur le chox de la sonde de enson pour nore monage 43 I3 Ineracon enre la sonde de enson e l enrée de l osclloscope 44 Annexe II : Mse en place de la commande analogque du banc d essa «méhode d opposon» sur le logcel de smulaon PSIM e premers consas sur les lmes du monage 45 4

60 II Mse en place du ulaeur 45 II Mse en place de la boucle de régulaon 45 II3 Premers consas sur les lmes du monage 48 II3 Lme de la plage de varaons du déphasage 48 II3 Lme de fonconnemen due aux profondeurs de ulaons maxmales 49 II4 Noes sur le emps mnmum de conducon, les emps mors, les buées des ulanes e les réglages lés à ces emps 49 Annexe III : Pré-dmensonnemen de la pare élecrque du banc d essa «méhode d opposon» par smulaons du conversseur sous le logcel PSIM e par mse en équaons 5 III Pré-dmensonnemen de l almenaon du bus connu 5 III Pré-dmensonnemen du flre d enrée de l almenaon condensaeurs e nducance de lssage 5 III Pré-dmensonnemen des condensaeurs 5 III Pré-dmensonnemen de l nducance de lssage 55 III3 Pré-dmensonnemen de l nducance d opposon 57 III4 Pré-dmensonnemen du capeur de couran d opposon 64 Annexe IX : Quelques élémens de la commande numérque sur DSP FPGA pour le fonconnemen de ype «méhode d opposon» e les nerfaces avec le monage 65 IX Programmaon de l nerface ConrolDesk 65 IX Programmaon du DSP sous Malab/Smulnk 66 IX3 Programmaon du FPGA Alera sous Quarus II 66 IX4 Récapulaf des dfférenes enrées/sores e lens du DSP, FPGA e care émerce par fbre opque 69 Annexe X : Esmaon des peres dans les sem-conduceurs de pussance en fonconnemen onduleur MLI par la Méhode Calculée 7 X Approche par smulaons de la srucure en ulsan les ules de calculs de peres du logcel PSIM 7 X Approche analyque du calcul des peres en fonconnemen onduleur de enson 7 X La pussance nécessare à la commande du sem-conduceur 7 X Schéma de prncpe d un bras d onduleur e convenons de mesures 73 X3 Les peres en conducon 73 X3 Approche pour un pack IGBT en Slcum 73 X3 Approche pour un pack MOSFET en Carbure de Slcum 76 X33 Impac de l njecon d harmonque 3 sur les peres en conducon 8 X4 Les peres par commuaon 8 X4 Approche pour un pack IGBT en Slcum 8 X4 Approche pour un pack MOSFET en Carbure de Slcum 85 Annexe XI : Descrpfs en mages de l ensemble du banc d essa ms en œuvre pour caracérser les sem-conduceurs 87 Références des Annexes 9 5

61 Annexe I : Propréés du Carbure de Slcum - Crsallographe Le Carbure de Slcum monocrsalln se compose d auan d aomes de Slcum que d aomes de Carbone Mas l exse pluseurs srucures crsallnes suvan la dsposon des aomes La srucure de base éan un arrangemen éragonal enre un aome de Carbone ou de Slcum au barycenre e quare aomes de Slcum ou de Carbone [] vor Fgure S C a 3,08 Å C-S,89 Å C-S a Fgure - Arrangemen éragonal enre un aome de Carbone au barycenre e quare aomes de Slcum à gauche e arrangemen Slcum à droe L agencemen des couches de Carbone e de Slcum son appelées polyypes Nous pouvons dénombrer envron 00 polyypes dfférens de Carbure de Slcum [] [3] La nomnaon de ces polyypes se fa par les symboles de Ramsdell les plus ulsés, qu assocen le nombre de couches dans la pérode du polyype au symbole correspondan au sysème crsalln ou réculare H : hexagonal, C : cubque, R : rhomboédrque Les polyypes de SC les plus ulsés en élecronque de pussance son les polyypes hexagonaux 4H e 6H, cubque 3C e rhomboédrque 5R La longueur de chaque lason aomque es quasmen smlare pour chacun des polyypes de SC La Fgure présene un exemple de représenaons des polyypes souven ulsés dans la recherche sur le SC, le 3C-SC, le 4H-SC e le 6H-SC Fgure - Représenaon des polyypes 3C-SC, 4H-SC e 6H-SC [4] La srucure SC ne peu êre orenée que suvan ros drecons par rappor au réseau du crsal, ce qu perme de conserver la srucure de lason aomque éraédrque [4] Les couches aomques suvan une drecon parculère peuven êre noées de manère arbrare A, B e C comme sur la Fgure S la séquence d emplemen es «ABCABC» alors la srucure crsallographque es de naure cubque Il s ag du polyype 3C-SC ou auremen nommée β-sc Sachan qu l n exse qu un seul polyype de SC avec un sysème crsalln cubque S la séquence d emplemen es «ABAB» alors la srucure crsallographque es de naure hexagonale [5] [6] Il s ag du polyype H-SC A parr de ces deux polyypes de base 3C-SC e H-SC ous les aures polyypes peuven êre obenus Ans le polyype 4H-SC compore le même nombre de lasons cubques e hexagonales séquence d emplemen «ABCB ABCB» L emplemen Le polyype 6H-SC compore deux ers de lasons cubques e un ers de lasons hexagonales séquence d emplemen «ABCACBA ABCA» Les srucures à lasons hexagonales e à lasons rhomboédrques son regroupées dans un ensemble souven noé : α-sc 6

62 Annexe II : L oxydaon du SC, une conrane echnologque dans le processus de fabrcaon des composans SC el que le MOSFET Pour la flère S, l oxydaon fne S0 doxyde de slcum amorphe es ben connue e marsée En effe, la présence du S0 de haue qualé culvé sur un subsra de S a condu au développemen de la echnologe Planar e perme la fabrcaon de joncons dffusées ou d mplanaon onque de dmensons varables, avec une haue précson Le SC es le seul composé sem-conduceur à grand gap à avor le même oxyde naf que le S, à savor le S0 Ce avanage majeur sgnfe que les srucures réalsées avec le S el que le MOSFET de pussance, l IGBT ou encore le hyrsor GTO peuven poenellemen êre auss fabrqué en SC De plus, une bonne connassance de l nerface S0 /S a éé accumulée e a condu à de grands progrès dans la flère S e pourra êre applquée à la flère SC L oxydaon du SC a éé éudée par de nombreux chercheurs depus longemps [7] [8] Comme pour la echnologe S, nous rerouvons la méhode d oxydaon hermque [9] [0] [] [] [3] e CD [4] [5] Comme pour le S, les surfaces du SC peuven êre oxydées hermquemen à envron 000 C dans une amosphère d oxygène sec ou humde La dfférence proven des emps qu son beaucoup plus mporan pour obenr la même épasseur dans des condons d oxydaons smlares flux d O e/ou H O à une empéraure comprse enre 800 C e 00 C vor Fgure 3 De plus, une conrane supplémenare ven du fa que les vesses d oxydaon son dfférenes enre les faces de slcum e de carbone C es-à-dre que les aux d oxydaons dépenden de l orenaon des crsaux de SC e condusen donc à une oxydaon ansorope [6] Dans le cadre du développemen de composans MOS l nerface S0 /S joue un rôle clé Pendan des années des progrès vsan à obenr des MOS haue performance en SC on éé lmés par des problèmes au nveau de l oxyde de grlle, qu refléaen le plus souven une rès fable moblé dans le canal d nverson du ranssor MOS e d une mauvase fablé de l oxyde De nombreuses recherches on éé menées afn d amélorer l nerface S0 /S des composans SC Des progrès specaculares on éé rapporés avec des nerfaces nrurés S0 -SC [7] [8] [9] [0] Ils amènen à une melleure fablé e une augmenaon de la moblé nverson-couche en SC-4H jusqu à une valeur maxmale d envron 50cm /s [] Pour conclure, l élaboraon de composans à parr du maérau SC ne cessen de progresser, noammen sur les echnques de crossance des crsaux de SC e sur l améloraon de la qualé des couches épaxées Néanmons, la srucure MOSFET rès promeeuse do encore fare des progrès pour profer plenemen des propréés qu offre ce maérau à grand gap Il fau noammen augmener les moblés de canal dans ce ranssor e cela passe par l améloraon des propréés élecrques de l nerface S0 -SC Pour plus de déals, se rapporer aux ravaux de la hèse de Ekoue Adamah [] Fgure 3 - Evoluon de l épasseur d oxyde en foncon du emps d oxydaon pour la face slcum e la face carbone du SC-6H, e pour le Slcum [3] 7

63 Annexe III : Mse en équaons des dfférenes phases des commuaons d un MOSFET-SC de pussance sur charge nducve Les hypohèses de smulaons qu on perms d effecuer la mse en équaon des dfférenes phases de la commuaon d un MOSFET-SC de pussance sur charge nducve son présenées dans au Chapre III Le blocage d un MOSFET de pussance III Phase : 0 phase de «sur-seul» De : 0 MOS 0 I ch arge ds R I cmde 0 RdsON MOS 0 dson charge 0 RgOFF bas RgOFF bas 0 v 0 dv 0 cmde OFF RgOFF bas Css OFF v 0 d 0 RgOFF bas Css OFF v 0 cmde ON cmde OFF e cmde Avec : τ R C RgOFF bas RgOFF bas OFF goff bas 0 OFF C ss OFF ss OFF dv 0 d cmde ON 0 C OFF 0 Cgd OFF 0 C OFF 0 RgOFF bas 0 C C C OFF OFF gd OFF Cgd OFF Cgd OFF 0 RgOFF bas 0 Cds OFF 0 po po 0 0 A 0 : v gfs gfs cmde 0 cmde ON cmde 0 cmde OFF 0 cmde ON 0A RgOFF bas 0 RgOFF bas 0 C C OFF 0A gd OFF v v 0 TH R goff bas cmde OFF 0 τ OFF cmde ON cmde OFF e cmde OFF vth v cmde R 0 goff bas 0 cmde OFF R goff bas cmde ON e τ 0 OFF 8

64 9 0 0 TH ON cmde TH po v gfs v v gfs bas goff ON cmde OFF cmde OFF gd OFF OFF bas RgOFF OFF gd OFF OFF OFF C R C C C C C C 0 0 bas goff ON cmde OFF cmde OFF gd OFF OFF gd bas RgOFF OFF gd OFF OFF gd OFF Cgd R C C C C C C 0 0 A : OFF cmde cmde arg gfs I v v v e ch TH p bas goff e ch TH OFF cmde bas goff cmde bas RgOFF R gfs I v R v arg e po I ch arg bas goff e ch TH OFF cmde OFF gd OFF OFF bas RgOFF OFF gd OFF OFF OFF C R gfs I v C C C C C C arg bas goff e ch TH OFF cmde OFF gd OFF OFF gd bas RgOFF OFF gd OFF OFF gd OFF Cgd R gfs I v C C C C C C arg III Phase : phase de «zone acve» De : OFF cmde cmde e MOS I ch arg arg I C bas RgOFF po Cds e ch TH po v v gfs bas goff OFF cmde bas goff cmde bas RgOFF R v R v C bas RgOFF Cgd v v v gd ds d dv C gd gd Cgd d dv C C d dv C ds ds Cds

65 A parr de ces équaons de base sur la phase, nous pouvons esmer l évoluon de dfférenes formes d ondes Commençons par l évoluon de la enson de commande Equaon dfférenelle résan l évoluon de : v dv a v b d So une soluon pour l évoluon de : v a λ e v b a La dérvée de la enson : Avec : a C C b b gd gd C ds C v gfs ds C R goff bas C C dv a ds R d C gd goff bas a λ e gfs v I R C cmde OFF C gd C ds TH C C ch arg e C ds goff bas R C goff bas gfs v I R gd cmde OFF TH ch e goff bas arg a Cds gfs RgOFF bas Cgd ds C cmde OFF ds v cmde OFF Pour I : charge v v p vth gfs b v p a Nous avons donc : λ a e b a b Ce qu donne : v v p e a a Une fos l évoluon de connue, nous avons l évoluon du couran dans le v canal avec : gfs v v Mas auss l évoluon du couran po dans la réssance de grlle : TH RgOFF bas cmde OFF v R goff bas Connassan l équaon de la dérvée de :, nous pouvons avor le couran :, nous v C avons ans le couran : e le couran : En connuan ce Cdg Cds résonnemen, nous pouvons obenr la dérvée de la enson v ds Or, comme nous pouvons le vor, ces équaons son rès complexe, e fon appels à des varables qu évoluen Il nous es donc dffcle de suvre le rasonnemen précédemmen explqué En revanche, nous pouvons suvan les valeurs de nos dfférens paramères, esmer que la enson n évolue quasmen pas duran cee phase E ans nous allons pouvor v consdérer que v v p Esmaon de la dérvée de la enson : v ds En consdéran que v v p e po I ch arge nous obenons [4] : 0

66 RgOFF bas dv ds d I ch arg e v gfs C gd R gfs TH goff bas C cmde gd OFF C ds gfs po Cee relaon éan valable pour un couran supéreur au couran S nous consdérons que RgOFF bas gfs es grand e que R goff bas gfs Cgd >> Cds, nous pouvons smplfer l équaon précédene [5] : I ch arg e vth cmde OFF dv gfs ds d R C goff bas gd Remarque : dans le cas où le couran deven égal ou nféreur au couran po RgOFF bas, nous allons avor ou le couran commué qu passe dans le condensaeur C ds, ce qu fe l équaon précédene : dvds I charge d C ds Nous pouvons esmer le couran de charge du condensaeur consdéran que v v : p C ds à l nsan en I ch arg e v TH cmde OFF dv gfs ds Cds Cds Cds d C gd C ds R goff bas C gd gfs gfs S nous esmons que es consan, pusque nous consdérons v RgOFF bas p po I charge Cds RgOFF bas v, nous pouvons esmer le couran dans le canal po : po I ch arg e C ds I ch arg e v gfs C gd R gfs TH goff bas C cmde OFF gd C ds gfs cmde OFF R v TH goff bas I gfs ch arg e Cee varaon du couran du canal enre le emps e le emps, nous perme d esmer la enson de commande v avec l équaon : v po vth v p gfs

67 Cela nous monre que l hypohèse de dépar de v v, n es pas ou à p fa juse En effe, la enson v évolue duran cee phase en passan de v p à une enson nféreure La source de couran po élsan le canal qu a pour valeur le couran de charge po I charg e au emps connue donc à évoluer avec l équaon : I charge Cds Cgd III3 Phase 3 : 3 phase de «zone acve» De : 3 cmde 3 cmde OFF ds 3 bus po 3 gfs v 3 vth ou po 3 gfs v 3 vth équaon lée aux hypohèses faes pour élser l ouverure du canal cmde 3 RgOFF bas RgOFF bas 3 v 3 dv 3 cmde OFF RgOFF bas Css ON v 3 d RgOFF bas Css ON v 3 v cmde OFF e cmde OFF Avec : τ R C RgOFF bas 3 4 OFF goff bas 3 ss ON v v cmde R 3 goff bas 3 RgOFF bas 3 C ON 3 v v Cgd ds 3 3 gd 3 v dvgd 3 Cgd ON 3 C gd ON d dv 3 C ON 3 C ON d dvds 3 Cds ON 3 Cds ON 0A d C ON C ON 3 RgOFF bas 3 C C Cgd ON ON gd ON Cgd ON 3 RgOFF bas 3 C C ON gd ON A 3 v 3 vth po 3 0A e 0 MOS 3 fue MOS A 3 cmde OFF R goff bas 3

68 Nous pouvons essayer d exprmer la vesse d évoluon du couran commué d/d Pour cela, nous allons nous placer au débu de la phase 3 juse après, en consdéran une ouverure du canal lnéare : gfs v v De plus, nous allons consdérer que la po TH vesse d évoluon du couran dans le canal es la même que celle dans le MOS, so : d d po MOS I ch arg e E avec : v v p v TH d d gfs Nous obenons ans l équaon suvane : d RgOFF bas cmde OFF v MOS dv gfs gfs gfs d d C C R ON ON goff bas Aux vues des hypohèses réalsées cee équaon présene une valeur maxmale approchée de la vesse de commuaon du couran III4 Phase 4 : 3 4 phase de «sous-seul» De : 3 4 cmde 3 4 cmde OFF ds 3 4 bus MOS 3 4 fue MOS 0 po 4 0A v cmde 3 A 3 4 RgOFF bas RgOFF bas 3 4 v 3 4 dv 3 4 RgOFF bas Css ON v 3 4 d 3 RgOFF bas Css ON 3 4 v 3 cmde OFF e cmde OFF cmde OFF v 3 4 Avec : τ R C RgOFF bas RgOFF bas Cgd ON v ds 3 RgOFF bas Css ON vth 3 cmde OFF e cmde OFF 3 4 OFF goff bas C ss ON v v cmde ss OFF 3 dv R 4 goff bas 3 d cmde OFF R v TH 3 4 RgOFF bas 3 4 C ON v 3 4 v gd 3 4 Cgd ON C ON 3 R goff bas C C cmde OFF 3 goff bas e τ OFF dvgd 3 4 Cgd ON 3 4 Cgd ON RgOFF bas 3 d ON gd ON dv 3 4 C ON 3 4 C ON RgOFF bas 3 d C C ON gd ON 4 3

69 dvds 3 4 Cds ON 3 4 Cds ON 0A d A : 3 v 3 v po 3 0A TH A 4 : v 4 cmde OFF RgOFF bas 4 0 po 4 0A A III L amorçage d un MOSFET de pussance III Phase : 0 phase de «sous-seul» De : 0 MOS 0 fue MOS 0A ds 0 bus cmde 0 RgON bas RgON bas 0 v 0 dv 0 cmde ON RgON bas Css ON v 0 d 0 RgON bas Css ON v 0 cmde OFF cmde ON e cmde Avec : τ R C RgON bas RgON bas ON gon bas 0 ON C ss ON ss ON dv 0 d cmde OFF 0 C ON 0 Cgd ON 0 C ON 0 RgON bas 0 C C C ON ON gd ON Cgd ON Cgd ON 0 RgON bas 0 Cds ON 0 po 0 0A A 0 : cmde 0 cmde OFF cmde 0 cmde ON C C 0A ON gd ON R gon bas cmde ON e 0 τ ON 4

70 v 0 cmde ON 0A RgON bas 0 RgON bas 0 po 0 0A v cmde C R 0 gon bas 0 cmde ON ON C ON 0 ON gd ON R gon bas cmde OFF RgON bas 0 C C C C C gd ON Cgd ON 0 ON gd ON C ON ON gd ON RgON bas 0 C C C C C ON gd ON gd ON cmde ON R gon bas cmde OFF cmde ON R gon bas cmde OFF A : cmde cmde ON v v v v TH RgON bas po 0A cmde R gon bas cmde ON R gon bas TH C ON C ON cmde ON vth RgON bas C ON Cgd ON C ON Cgd ON RgOFF bas C gd ON C gd ON cmde ON v TH RgON bas C C C C R C ON Cgd ON ON gd ON ON III Phase : phase de «zone acve» De : cmde cmde ON ds bus po gfs v vth cmde gd ON RgON bas RgON bas v dv cmde ON RgON bas Css ON v d RgON bas Css ON v v cmde ON e cmde ON Avec : τ R C RgON bas ON gon bas ss ON gon bas v v cmde R gon bas bas 0 C ON 0 Cgd ON 0 v v RgON ds gd v cmde ON R gon bas 5

71 dvgd Cgd ON C gd ON d dv C ON C ON d dvds Cds ON Cds ON 0A d C ON C ON RgON bas C C Cgd ON A : v ON gd ON Cgd ON RgON bas C C ON v p vth po 0A MOS I ch arge I charge gfs gd ON III3 Phase 3 : 3 phase de «zone acve» De : 3 cmde 3 cmde ON MOS 3 I ch arge I charge po Cds 3 po 3 RgON bas 3 C 3 RgON bas v Cgd ds Cgd C Cds 3 gfs v 3 vth 3 v v cmde R 3 gon bas 3 RgON bas 3 C 3 3 v 3 v gd 3 C 3 C 3 C 3 gd ds dv dv dv gd ds 3 d 3 d 3 d 3 cmde ON R gon bas A parr de ces équaons de base sur la phase 3, nous pouvons esmer l évoluon de dfférenes formes d ondes Par exemple, l évoluon de la enson de commande, en 3 v 3 ulsan le même prncpe que nous avons vu dans la phase du blocage du MOSFET de pussance Nous avons donc chos de ne pas déaller ces équaons 6

72 En revanche, nous pouvons suvan les valeurs de nos dfférens paramères, esmer que la enson n évolue quasmen pas duran cee phase 3 E ans nous allons pouvor v 3 consdérer que v v 3 p 3 Esmaon de la dérvée de la enson : v ds 3 En consdéran que v 3 v p 3 e po 3 I ch arge nous obenons e que l ouverure du canal es lnéare : I ch arg e v TH cmde ON dv 3 gfs ds d C gd C ds R gon bas C gd gfs gfs Cee relaon éan valable pour un couran supéreur au couran RgON bas 3 po 3 S nous consdérons que RgON bas gfs es grand e que R gon bas gfs Cgd >> Cds nous pouvons smplfer l équaon précédene : I ch arg e vth cmde ON dv gfs ds 3 d R C gon bas gd, Remarque : dans le cas où le couran deven égal ou nféreur au couran po 3 RgON bas 3, nous allons avor ou le couran commué qu passe dans le condensaeur C ds, ce qu fe l équaon précédene : dvds I 3 charge d C ds Nous pouvons esmer le couran de charge du condensaeur consdéran que v v : 3 p 3 C ds à l nsan 3 en I ch arg e v TH cmde ON dv 3 gfs ds Cds 3 Cds Cds d C gd C ds R gon bas C gd gfs gfs S nous esmons que es consan, pusque nous consdérons v RgON bas 3 3 p 3 po 3 I charge Cds 3 RgOFF bas 3 v, nous pouvons esmer le couran dans le canal po : po I 3 ch arg e C ds I ch arg e v gfs C gd R gfs TH gon bas C cmde ON gd C ds gfs cmde ON v R TH gon bas 3 I gfs ch arg e 7

73 Cee varaon du couran du canal enre le emps e le emps 3, nous perme d esmer la enson po 3 de commande v 3 avec l équaon : v 3 vth gfs Cela nous monre que l hypohèse de dépar de v v, n es 3 p 3 pas ou à fa juse En effe, la enson évolue duran cee phase en passan de v 3 v p à une enson supéreure, noée v p 3 La source de couran po élsan le canal qu a pour valeur le couran de charge I charg e au emps l équaon : I po 3 charge Cds 3 Cgd 3 III4 Phase 4 : 3 4 phase de «sur-seul» De : 3 4 cmde 3 4 cmde ON MOS 3 4 I ch arge v ds R I cmde 3 4 RdsON MOS 3 4 dson charge 3 4 RgON bas RgON bas 3 4 v 3 4 dv 3 4 RgON bas Css OFF v 3 4 d 3 RgON bas Css OFF 3 4 v 3 cmde ON e cmde ON cmde ON v 3 4 Avec : τ R C RgON bas RgON bas Cgd OFF v ds 4 ON gon bas RgON bas Css OFF v p 3 cmde ON e cmde ON 4 4 C ss OFF connue donc à évoluer avec v v cmde 3 ss OFF dv R 4 gon bas 3 d cmde ON R 3 gon bas v p R 3 gon bas 3 4 RgON bas 3 4 C OFF v 3 4 v gd 3 4 Cgd OFF C OFF cmde ON C C e dvgd 3 4 C gd OFF 3 4 C gd OFF RgON bas 3 d OFF gd OFF dv 3 4 C OFF 3 4 C OFF RgON bas 3 d dvds 3 4 Cds OFF 3 4 Cds OFF 0A d C C OFF gd OFF τ 3 4 ON 4 8

74 A 4 : v 4 cmde ON RgON bas 4 0 A III3 Impac de l améloraon du crcu hacheur sur charge nducve sur les mses en équaons des dfférenes phases de commuaon III3 Ajou du èle du MOSFET du hau bloqué III3 Blocage du MOSFET Afn de comprendre l mpac de l ajou du MOSFET du hau dans le monage, nous avons effecué un aure relevé de smulaon vor Fgure 4 Fgure 4 - Résulas de smulaon d un blocage du MOSFET de pussance Impacs de l ajou du MOSFET du hau dans le monage Duran la phase, nous avons la enson aux bornes du MOSFET du bas v ds qu commue, ce qu mplque une évoluon de la enson aux bornes du MOSFET du hau : v v ds hau bus ds Cee varaon de enson mplque une décharge des capacés parases du MOSFET du hau Nous avons ans : < I < MOS charge Cds hau C hau < ds hau v hau vgd hau v Cee évoluon du couran dans la capacé C condu à une évoluon de la enson à ces bornes qu passe de v hau cmde OFF à une enson nféreure v hau < cmde OFF Le couran dans la réssance de grlle qu éa nul à l équlbre augmene : 9

75 RgOFF v < cmde OFF hau hau < 4 > 0 R goff bas Une fos la commuaon en enson du MOSFET du bas effecuée fn de la phase, la enson v hau < 4 qu es nféreure à cmde OFF peu commencer à croîre pour rerouver l équlbre à : v hau 4 cmde OFF D aure par, duran la phase, nous avons vu dans la suaon précédene que le couran dans le canal du MOSFET du bas po qu a aen le couran de charge I charg e à l nsan connue à décroîre avec : < < < po MOS Cds Cgd < Dans la suaon précédene nous avons : < MOS I ch arge Or, dans cee suaon, nous avons : MOS < I charge Cds hau < C hau < Le couran dans le canal du MOSFET du bas aen donc à l nsan une valeur plus fable dans cee suaon que dans la suaon smplfée précédene Cela perme lors de la commuaon en couran, dans la phase 3, de commuer nsananémen un couran qu par de I jusqu à MOS charge Cds hau C hau 4 MOS Cds Cgd Quan à elle, la commuaon en enson dans cee suaon va êre mons rapde que dans la suaon smplfée précédene pusque comme nous l avons vu : po v TH cmde OFF dv gfs ds d C gd C ds R goff bas C gd gfs gfs III3 Amorçage du MOSFET Afn de comprendre l mpac de l ajou du MOSFET du hau dans le monage, nous avons effecué un aure relevé de smulaon vor Fgure 5 Duran la phase 3, nous avons la enson aux bornes du MOSFET du bas v ds qu commue, ce qu mplque une évoluon de la enson aux bornes du MOSFET du hau : v v ds hau bus ds Cee varaon de enson mplque une charge des capacés parases du MOSFET du hau Nous avons ans : < I < MOS 3 charge Cds hau 3 C hau < 3 ds hau v hau vgd hau v Cee évoluon du couran dans la capacé C condu à une évoluon de la enson à ces bornes qu passe de v hau cmde OFF à une enson supéreure v hau 3 > cmde OFF Le couran dans la réssance de grlle qu éa nul à l équlbre passe en négaf : cmde OFF v hau < 4 RgOFF hau < 4 < 0 R goff bas 30

76 Une fos la commuaon en enson du MOSFET du bas effecuée fn de la phase 3, la enson v hau < 4 qu es supéreure à cmde OFF peu commencer à décroîre pour rerouver l équlbre à : v hau 4 cmde OFF D aure par, duran la phase 3, nous pouvons avons vu dans la suaon précédene que le couran dans le canal du MOSFET du bas po qu a aen le couran de charge I charg e à l nsan connue à croîre avec : < < < po 3 MOS 3 Cds 3 Cgd < 3 Dans la suaon précédene nous avons : < MOS 3 I ch arge Or, dans la suaon acuelle, nous avons : MOS < 3 I charge Cds hau < 3 C hau < 3 Le couran dans le canal du MOSFET du bas aen donc à l nsan une valeur plus mporane dans cee suaon par rappor à la suaon précédene Quan à elle, la commuaon en enson dans la suaon acuelle va êre plus rapde que dans la suaon précédene pusque comme nous l avons vu : po 3 v TH cmde OFF dv 3 gfs ds d C gd C ds R goff bas C gd gfs gfs Fgure 5 - Résulas de smulaon à l amorçage du MOSFET de pussance Impacs de l ajou du MOSFET du hau dans le monage 3

77 III3 Ajou du èle de la Dode du Bas III3 Blocage du MOSFET Dans cee phase, nous avons le couran dans le canal du MOSFET du bas qu peu s écrre : po MOS Cds Cgd C E nous avons vu que : MOS I charge Cds hau C hau Dans nore cas, nous avons la capacé de la dode C qu es assez mporane, ce qu condu lors de la charge de celle-c à un couran absorbé suffsammen grand pour amener le couran po à s annuler Or, la commuaon en enson évolue avec l équaon approchée : po v TH cmde OFF dv gfs ds d C gd C ds R goff bas C gd gfs gfs Nous avons une commuaon en enson plus lene dans cee suaon comparée à la suaon précédene Le couran dans le canal du MOSFET du bas s annule donc à l nsan Cela perme lors de la commuaon en couran, dans la phase 3, de commuer nsananémen un couran qu par de I qu jusqu à MOS charge Cds hau C hau vau zéro dans nore cas MOS Cds Cgd C III3 Amorçage du MOSFET Lors de l amorçage du MOSFET du bas, la capacé parase de la dode du bas va se décharger duran la commuaon en enson du MOSFET du bas dans la phase 3 Ce qu aura pour effe de ralenr cee commuaon en enson du MOSFET du bas Les équaons seron juse fées duran cee phase par un ajou de cee capacé pas déallés c Annexe I : Mse en équaon de l nfluence de l nducance de boucle de pussance sur les commuaons du MOSFET de pussance I Lors du blocage du MOSFET de pussance Nous allons donc fare l hypohèse que cee vesse de commuaon en enson ne change quasmen pas duran la phase 3 de commuaon en couran Même s nous savons que cela es approxmaf pusque la vesse de commuaon dmnue consdérablemen en foncon de l nducance de boucle de pussance e nous avons une oscllaon du second ordre enre la capacé C ds e L boucle Il s ag donc d une vesse de commuaon en enson esmée au débu de la phase 3 Nous pouvons donc écrre l équaon approchée de la vesse en commuaon de la enson duran la phase 3 valable surou au dépar de cee phase : I ch arg e v TH cmde OFF dvds gfs 3 d C ds C R goff bas C gd Cds C 3

78 De plus, nous avons fa l hypohèse que la enson de grlle es égale à la enson de grlle à l nsan, so : po I ch arge v 3 I v ch arg e 3 v vth gfs E que Nous pouvons négrer cee expresson duran la phase 3 e écrre : I ch arg e vth cmde OFF gfs v ds 3 bus Cds C R goff bas C gd Cds C Manenan, nous pouvons écrre l équaon de la malle de pussance duran cee phase 3 : dmos 3 Lboucle bus vds 3 d La vesse de commuaon en couran à l ouverure du MOSFET peu ans s exprmer : I ch arg e v d 3 TH cmde OFF gfs MOS 3 d Lboucle Cds C R goff bas C gd Cds C Nous voyons ans apparaîre que la vesse de commuaon en couran dépend du emps La vesse maxmale de commuaon éan obenue à l nsan 3 fn de cee phase, ce qu correspond à un couran quas-nul : MOS 3 0 couran de fue du MOSFET Nous pouvan exprmer l expresson du emps : 3 Cds C L boucle I ch arg e RgOFF bas C gd Cds C 3 I ch arg e v TH cmde OFF gfs Ans, nous pouvons calculer la vesse de commuaon maxmale en couran lors de l ouverure du MOSFET, so : I ch arg e I ch arg e vth cmde OFF dmos gfs 3 d max Cds C L boucle RgOFF bas C gd Cds C Ans la surenson qu apparaî à l ouverure du MOSFET peu s exprmer de la façon suvane : I ch arg e I ch e Lboucle vth cmde OFF gfs arg v ds max Cds C R goff bas C gd Cds C Sur cee expresson nous observons donc que la surenson au blocage du MOSFET vare par rappor à la racne de l nducance de boucle de pussance forme hyperbolque bus 33

79 Remarque : pour une valeur de réssance de grlle qu end vers zéro, le couran po deven égal ou nféreur au couran, nous allons avor ou le couran commué RgOFF bas qu passe dans le condensaeur C ds, ce qu fe l équaon précédene : dvds I 3 ch arg e d Cds Comme précédemmen, nous allons donc fare l hypohèse que cee vesse de commuaon en enson ne change pas duran la phase 3 de commuaon en couran Même s nous savons que cela es approxmaf pusque la vesse de commuaon dmnue consdérablemen en foncon de l nducance de boucle de pussance oscllaon second ordre enre la capacé C ds e L boucle Nous pouvons négrer cee expresson duran la phase 3 e écrre : I ch arg e v ds 3 3 bus Cds Manenan, nous pouvons écrre l équaon de la malle de pussance duran cee phase 3 : dmos 3 Lboucle bus vds 3 d La vesse de commuaon en couran à l ouverure du MOSFET peu ans s exprmer : d I MOS 3 ch arg e 3 d Lboucle Cds Nous voyons ans apparaîre que la vesse de commuaon en couran dépend du emps La vesse maxmale de commuaon éan obenue à l nsan 3 fn de cee phase, ce qu correspond à un couran quas-nul : MOS 3 0 couran de fue du MOSFET Nous pouvan exprmer l expresson du emps : 3 3 L boucle C ds Ans, nous pouvons calculer la vesse de commuaon maxmale en couran lors de l ouverure du MOSFET, so : d I d L C MOS 3 charge max boucle ds Ans la surenson qu apparaî à l ouverure du MOSFET peu s exprmer de la façon suvane : I charge Lboucle v ds max C ds bus Cee nouvelle lme de vesse de commuaon maxmale en couran lors de l ouverure du MOSFET correspond à une lme héorque que nous ne pouvons pas aendre en praque pusque la réssance de grlle a éé consdérée comme endan vers zéro I Lors de l amorçage du MOSFET de pussance Lorsque la réssance de grlle end vers zéro e que l nducance de boucle de pussance es mporane, la vesse de commuaon en couran es quasmen unquemen lée à la valeur de cee nducance La vesse de commuaon en couran aen ans une lme physque unquemen lé au crcu exerne qu correspond à : dmos bus d max ON Lboucle Pour le rese des pons, nous rerouvons une vesse de commuaon qu es à la fos lée à la réssance de grlle e à l nducance de boucle de pussance La démonsraon es smlare à celle que nous avons réalsée pour l ouverure du MOSFET Il s ag de parr d une élsaon quadraque 34

80 de l évoluon du couran, nous allons donc parler de dmos d e non pas de MOS qu d max ON d nous feras sous aendre à une évoluon lnéare du couran Sans déaller les hypohèses e l ensemble des calculs, nous pouvan exprmer l expresson du emps : Cds C L boucle I ch arg e RgON bas C gd Cds C I ch arg e cmde ON vth gfs Ans, nous pouvons calculer la vesse de commuaon maxmale en couran lors de la fermeure du MOSFET, so : I ch arg e I ch arg e cmde ON vth d MOS gfs d ON max Cds C L boucle RgON bas C gd Cds C Nous consaons que pour des valeurs de réssances de grlle à l amorçage mporanes, la vesse de commuaon en couran es enèremen lée au MOSFET e à sa commande e le crcu exerne nflue rès peu sur les formes d ondes à l amorçage En effe, lorsque l nducance de boucle es fable ou la réssance de grlle es mporane, la dmos enson vds bus Nous n avons pas de chue de enson nducve : Lboucle d Ans ou le couran du MOSFET : MOS correspond unquemen à l ouverure du canal Nous pouvons donc dre que : gfs v v Ans lorsque MOS po TH l nducance de boucle es fable ou la réssance de grlle es mporane la vesse de commuaon R C en couran à l amorçage e unquemen lée au crcu de commande gon bas Annexe : Défnon héorque de l nducance de boucle au nveau d un bus-barre La Fgure 6 présene un schéma de prncpe des nducances d un bus-barre Fgure 6 - Schéma de prncpe des nducances d un bus-barre 35

81 Nous avons ans les équaons des ensons aux bornes de nos plaques conducrces e - suvanes : d d L L A- d d v d d L L A- d d v Nous nous néressons à l nducance de la boucle vue par le bras de commuaon, c es-àdre, l nducance équvalene lorsque le pon e le pon - son relés cour-crcués D après les los de Krchhoff, nous pouvons donc écrre : v v v A- 3 A- 4 So : d v L L L A- 5 d L nducance équvalene vau ans : L L L équvalen Avec : L 0 A- 6 L < Nous voyons ans apparaîre les élémens sur lequel nous allons ravaller par smulaons : d un par, nous devons mnmser les nducances propre des maéraux L e L E d aure par, nous devons augmener les nducances muuelles L nous parlons souven d une augmenaon de l effe Muuel Annexe I : Les apparels de mesures nécessares pour la caracérsaon dynamque de ules de pussance MOSFET-SC I La mesure de couran Prncpe Type de mesure Avanages Inconvénens I Le ransformaeur de couran TC, ou TI Le Tableau présene les caracérsques du ransformaeur de couran Tableau - Le ransformaeur de couran : Tore ferromagnéque parcouru par un champ magnéque mage du couran à mesurer Equvau à un ransformaeur en cour-crcu AC / mpulsons Converson d nensé Isolaon galvanque Pas d élecronque, smple, robuse Seul capeur à bénéfcer d une normalsaon nernaonale CEI85 e CEI86 Dsance enre source e mesure lmée Danger en cas de rupure du secondare du TC Mesure AC / Impulsons Conranes géomérques mposées par le TC Bande passane lmée pour les fors calbres en couran 36

82 Pour nore applcaon e nos besons de mesure précse du couran commué ramenée sur un osclloscope, le ype de ransformaeur de couran le plus adapé es le ore Pearson [6] La gamme des produs propose une plage de couran allan de,5arms èle 877 à 500Arms èle 093 La bande passane évolue beaucoup suvan le calbre en couran de l apparel, pour le calbre,5arms, elle va de 300Hz à 00MHz prse pour une chue de 3dB du sgnal Alors que pour le calbre 500Arms, elle va de 0,5Hz à 0,MHz Pour nore applcaon, le chox d un ore adapé a éé effecué par la méhode proposé par Kolher e al [7], nous avons consaé qu l éa mpossble de rouver un ore répondan à ous les crères Le ore Pearson èle 5046 [6] perme d effecuer en pare la mesure, sans respec de la bande passane requse vor Tableau Cee soluon pose deux problèmes majeurs : une bande passane rop fable e une géomére pas adapée à sa mse en œuvre dans un bus-barre fable nducance de boucle Remarque : pour ces essas sur pack IGBT en Slcum, ALSTOM ulse en général le ore Pearson èle 0 [6] vor Tableau 3 Tableau - Caracérsques du ore Pearson èle 5046 [6] : Calbre en couran 00 Arms max Pc maxmum de couran 5000 A max Sensblé 0,0 /A ±0,5% Sore 50 Ω Temps de monée ulsable 0 ns Fréquence de coupure basse pour -3dB 0,5 Hz envron Fréquence de coupure haue pour -3dB 0 MHz envron Géomére Tableau 3 - Caracérsques du ore Pearson èle 0 [6] : Calbre en couran 00 Arms max Pc maxmum de couran A max Sensblé 0 m/a /-0% Sore 50 Ω Temps de monée ulsable 00 ns Fréquence de coupure basse pour -3dB 0,5 Hz envron Fréquence de coupure haue pour -3dB 4 MHz envron Géomére 37

83 Prncpe Type de mesure Avanages Inconvénens I Le capeur à effe Hall Le Tableau 4 présene les caracérsques du capeur à effe Hall Tableau 4 - Le capeur à effe Hall : Crcu magnéque raversé par champ magnéque produ par le couran à mesurer Cellule Hall sem-conduceur dsposé dans l enrefer du crcu magnéque donne une mage en enson du couran mesuré grâce à un généraeur de couran 3 caégores : boucle ouvere, boucle fermée, boucle ETA DC / AC / mpulsons Mesures oues composanes AC / DC / ACDC enson mage du champ magnéque Réponse nsananée grande précson, fable déphasage Converson d nensé Isolaon galvanque Prx élevé ajou de l uné de raemen Conranes géomérques mposées par le capeur même s ceranes pnces ampèremérque son ouvranes Bande passane lmée vor produ séleconné pour l applcaon Dffculé à mesurer les fables courans Pour nore applcaon e nos besons de mesure précse du couran commué ramenée sur un osclloscope, le ype de capeur à effe Hall le plus adapé es la pnce ampèremérque ou pnce à effe Hall [8] La gamme des produs propose une large gamme en couran, allan jusqu aux fors courans Mas la bande passane chue consdérablemen avec le calbre en couran Ce qu proscr oalemen ce ype de capeur pour des mesures de commuaon en couran Malgré cela, nous avons chos de séleconner une pnce ampèremérque de référence LEM PR 00 [8] afn d en observer les caracérsques vor Tableau 5 Tableau 5 - Caracérsques de la pnce ampèremérque LEM PR 00 [8] : Calbre en couran 0 A à 00 A ACrms ou DC Sensblé ±0 m/a 0 A ±00 m/a 00 A Résoluon ±0 ma 0 A ±00 ma 00 A Temps de monée ulsable 00ns Bande passane pe sgnal DC à 0 khz -db Géomére I3 Le capeur à bobne de Rogowsk Les capeurs de couran de ype ransformaeur de couran ou capeur à Hall ulse des maéraux magnéques pour effecuer la mesure Or, ces maéraux condusen à des dffculés el que : les phénomènes de rémanence, d hyséréss, de non-lnéaré, de peres L dée es donc de réalser un capeur de couran sans crcu magnéque Il exse pluseurs varanes de concepons : l ulsaon d élémens de déecon de champ à fore sensblé AMR, GMR, ec, les bobnes de Rogowsk e les bobnes de Rogowsk planares PRIME de LEM ou aures [9] Nous allons c nous concenrer unquemen sur les bobnes de Rogowsk les plus adapés à nos besons vor Tableau 6 38

84 Prncpe Type de mesure Avanages Inconvénens Tableau 6 - Le capeur à bobne de Rogowsk : Conduceur consué de spres bobnées auour d un cylndre flexble non ferromagnéque résne Image du couran mesuré sous forme de enson déphasé de 90 Fonconne selon les prncpes du héorème d Ampère AC / mpulsons Mesures de fors courans Flexble souple s adapan à ou conduceur Converson d nensé Isolaon galvanque Absence d effe de sauraon, rès léger pas de crcu magnéque Très bonne sensblé Mesure AC / Impulsons Plus le rayon moyen du ore augmene, plus la bande passane dmnue Traemen élecronque Sensble aux champs exernes perurbaons Pour nore applcaon, les ypes de ore de Rogowsk séleconnés son les èles «CWT ULTRA Mn» de la socéé PEM [30] En effe, ce son des apparels proposan la melleure bande passane e précson, pour une large gamme en couran allan de 30Apeak à 00Apeak Ces ores on une crconférence de 80mm pour un damère de,7mm e son prévus pour une solaon de,k, ce qu correspond à nos besons vor Tableau 8 Pour nore applcaon, nous avons séleconné en foncon du beson en calbre en couran, la référence CWT3 ULTRA Mn [30] vor Tableau 7 L dée éan de chosr un calbre en couran permean de vsualser le sur-couran lors de l amorçage, ou en gardan un calbre le plus fable possble pour garder une bonne sensblé de l apparel Tableau 7 - Caracérsques du ore de Rogowsk CWT3 ULTRA Mn [30]: Calbre en couran Sensblé Fréquence de coupure basse pour -3dB Fréquence de coupure haue pour -3dB Pc de d/d Reard Géomére 600 A peak 0 m/a 6, Hz 0 MHz 0 ka/µs enre 30ns e 40ns Tableau 8 - Tableau proposé par le consruceur présenan les caracérsques des ores de Rogowsk CWTx ULTRA Mn [30]: Remarque : Pour effecuer des mesures de couran sur des Bondn à l néreur d un pack, nous allons prvléger ces ores de Rogowsk ULTRA Mn pour leur compacé Mas dans la léraure nous allons rouver des éudes vsan à réalser des ores de couran permean d effecuer des mesures précsen dans un encombremen mnmal Par exemple, en 0, Hra e al on proposé un «Flm Curren Sensor» permean de réalser des mesures de couran sur des Bondn de pack en garanssan une bonne Bande Passane de 0MHz e une bonne compacé pusque le concep comporen deux boucles de,5 mm chacune [3] 39

85 Prncpe Type de mesure Avanages Inconvénens I4 Le Shun de mesure Le Tableau 9 présene les caracérsques du Shun de mesure Tableau 9 - Le shun de mesure : Conduceur de fable réssance rès précse, maérau de ype manganèse, fable varaon en empéraure, placé de manère nrusve, mesure de enson à ses bornes DC / AC / mpulsons Très smple Très bonne bande passane srucure coaxale, dsque réssf, ou bande Mesures oues composanes AC / DC / ACDC Large gamme en couran lé unquemen à la hermque pusque réssf Fable nducance parase srucure coaxale «aselfque» Pas d solemen galvanque enre le crcu e l apparel de mesure référencemen des apparels de mesure Insallaon fxe, sysème nrusf dégrade noammen l nducance du crcu Lmé hermquemen réssance Pour nore applcaon, nous avons chos d ulser un Shun en srucure coaxale de la socéé T&M Research Producs [3] En effe, ces produs présenen une rès bonne bande passane allan du connu jusqu à,ghz pour le melleur produ Pour nore applcaon, le chox d un Shun s effecue en enan compe de pluseurs paramères Au-delà de la bande passane, nous devons chosr une valeur de réssance suffsammen rédue afn d éver un problème hermque e/ou une chue de la enson mporane qu faussera la mesure de la enson DS Nous devons auss enr compe de la géomére du Shun pusque nous allons l nsérer sur le Bus-barre de nore monage La forme de nore Bus-barre va devor s adaper à l apparel chose, en essayan de dégrader le mons possble l nducance de boucle de nore crcu apparel nrusf Malgré ou, la géomére du shun semble ben se prêer à la mse en place dans un Bus-barre e ben qu l ne permee pas de garanr l solemen galvanque, un référencemen à la masse, nous permera d effecuer nos mesures La référence que nous avons reenue es le T&M Research Producs èle M- vor Tableau 0 Mas l es mporan de noer que de nombreuses géoméres exses e son proposés par ce fournsseur Il es auss possble de développer un Shun spécfque pour nore applcaon avec cee socéé Tableau 0 - Caracérsques du Shun T&M Research Producs èle M- [3] : Réssance Bande passane Temps de monée maxmal Energe maxmale Pussance en connue Géomére 0 mω DC à 00 MHz ns 5 J 0W èle smple 75W èle à alees e venlé I5 Concluson sur le chox du capeur de couran pour nore monage Après avor réperoré l ensemble des moyens permean d effecuer la mesure du couran commué par nos sem-conduceurs SC Nous avons reenu la mesure par Shun En effe, ce moyen de mesure offre une rès bonne bande passane, le calbre es adapé à nos besons En revanche, la géomére de nore Bus-barre va devor s adaper à la forme géomérque de l apparel chose, en 40

86 essayan de dégrader le mons possble l nducance de boucle de nore crcu apparel nrusf Malgré ou, la géomére de l apparel semble se ben se prêer à sa mse en place dans un Bus-barre De plus, cee soluon par Shun ne perme pas de garanr l solemen galvanque, mas avec un référencemen du shun à la masse, nous allons pouvor effecuer nos mesures Nous allons déaller cerans crères clés permean d effecuer le chox du Shun I6 Crères clés permean d effecuer le chox d un Shun I6 La bande passane de l apparel Le chox du Shun perme de garanr une bonne bande passane dans la mesure du couran En effe, s nous souhaons observer des commuaons en couran avec des emps d évoluon de l ordre de la dzane de nanosecondes, noé r E que nous nous appuyons sur les formules proposées par Tekronx dans sa noe applcave [33], nous devons avor un emps d évoluon monée ou descene maxmal de l apparel de mesure osclloscope sonde, noé m, rès fable par rappor à l évoluon maxmale de la mesure Pour une précson rasonnable de l ordre de % à 5% d erreur, nous devons avor : / A- 7 Avec : - 3 à 5 ; pour % à 5% d erreur, - : emps d évoluon maxmal de l apparel de mesure, - : emps d évoluon réel du sgnal Dans nore cas, s nous prenons pour hypohèse que le emps maxmal de la commuaon es de : Nous devons bénéfcer d un apparel de mesure avec :, pour une erreur de l ordre de % Or, s nous nous néressons au Shun, sur le Tableau 0 nous voyons que le Shun chos répond ou juse à cee conrane avec : Remarque : pour cerans apparels de mesure le emps de monée maxmal n es pas spécfé, dans ce cas, nous pouvons approxmer la valeur du emps de monée à parr de la bande passane fréquence de coupure haue à parr de l équaon suvane [33]: Avec : -! " #$ : fréquence de coupure haue de l apparel ln 9! 0,35 A- 8 "#$! "#$ Pour le Shun chos, nous rerouvons à parr de la fréquence de coupure haue de l apparel! " #$ 00' un emps d évoluon maxmal de l apparel :,75 Ce qu correspond à la valeur de ns donnée par le consruceur I6 Les conranes hermques sur le Shun Nous devons vérfer que le nveau e le emps d applcaon du couran dans le Shun ne pose pas de dégradaons hermques Pour cela, nous nous appuyons sur l énerge maxmale fourne par le consruceur dans nore chox, E max 5J, pusque nore fonconnemen rese emporare lorsque nous ulsons la commande de «double-pulse» Remarque : dans un fonconnemen connu onduleur ou aures, nous nous serons basés sur la pussance lme exgée par le consruceur en connu afn de vérfer que nous respecons ben les conranes hermques Ic, nous devons donc calculer l énerge maxmale vue par le Shun en fn de séquence «double-pulse» Mas auss l énerge maxmale vue par le Shun lors d un cour-crcu du bras afn de ne pas le déérorer Rappel de l équaon de l énerge dans une réssance le Shun :, - / A- 9 4

87 Avec : - - /0 : la valeur de la réssance du Shun, - 5 : le couran nsanané raversan le Shun pendan un nervalle de emps : ; 6 Fxons pour hypohèse, la forme d onde du couran raversan le Shun présenée Fgure 7 Fgure 7 - Hypohèse sur la forme d onde du couran dans le Shun lors d un fonconnemen «doublepulse» D après cee forme d onde, l énerge raversan le Shun en fn de séquence peu smplemen s écrre : 6, - /0 < "0é? 6A A- 0 Avec : - < "0é : la valeur du couran que nous souhaons commué, - : : le emps permean d aendre le nveau de couran souhaé, pouvan s exprmer par : : B CDEFGH I JKL < "0é A- - 6 : le emps enre l amorçage e le deuxème blocage du composan chos par l ulsaeur Il fau donc que cee énerge calculée so plus fable que la valeur maxmale fxée pour ce apparel Exemple : Hypohèses : - /0 0MΩ ; < "0é 00O ; P "/QRS M ; T U0 600T ; 6 0μ So :, 7MX YZ, [\]/0 5X Pour nore applcaon, ce shun semble ben adapé En revanche, s nous avons une phase de défau, avec un cour-crcu du bras de commuaon, nous allons avor la oalé de l énerge dans le condensaeur du bus DC qu va se décharger dans la réssance du Shun e dans les réssances présenen dans la boucle «R dson» évenuelles ou aures Le pre cas éan lorsque la oalé de l énerge des condensaeurs se décharge dans le Shun l almenaon éan consdérée suffsammen lene e lmée en couran ce qu ne perme pas de recharger la enson du bus DC duran cee phase Nous pouvons ans smplemen écrre l équaon suvane : `, " : at 6 U0 6 by, [\]/0 A- Dans nore applcaon, cee conrane ne peu pas êre respecée au vue des condensaeurs que nous souhaons mere en œuvre Mas un Shun proposan une énerge maxmale plus mporane nous aura posé des problèmes de géoméres e d assemblages mécanques De plus, lors de ces phases de défau, même s le Shun es préservé, l enrée de l osclloscope qu y es assocé rsque de casser En effe, les courans de cour-crcu éan rès mporan, ls condusen à des dépassemens de la enson d enrée maxmale permse par les osclloscopes 4

88 I63 La chue de enson amenée par le Shun Le chox d une valeur de réssance sur le Shun do êre effecué en enan compe de pluseurs conranes En effe, la valeur de la réssance do êre suffsane pour garanr une précson dans la mesure Mas pas rop mporane non plus, d un par, pour des rasons de hermques vor pare I6 D aure par, sur nore monage, la chue de enson amenée par le Shun rédu la enson applquée aux bras de commuaon, l fau donc que cee enson rese néglgeable devan la enson du bus DC De plus, le Shun ne permean pas de bénéfcer d solemen galvanque, l sera placé e référencé par rappor à la masse du monage Or, lors de la mesure de la enson aux bornes du semconduceur avec une sonde passve, celle-c sera référencé par rappor à cee masse Cee mesure de enson aux bornes du sem-conduceur comprendra dans cee confguraon la chue de enson du Shun, l fau donc qu elle so néglgeable devan la valeur à mesurer I La mesure de la enson I Les sondes passves La sonde de enson passve séleconnée es une sonde de la socéé Tekronx [34] èle P500 [35] don les caracérsques son présenées dans le Tableau Tenson maxmale DC ou RMS,5 k DC Pc AC 000 CAT III Tableau - Caracérsques de la sonde de enson passve Tek P500 [34] [35] : Aénuaon Bande passane Temps de monée ypque Réssance d enrée Capacé d enrée Capacé compable sur l enrée de l osclloscope x00 50 MHz,75 ns 0 MΩ,75 pf 7 à 30 pf Le Tableau présene les caracérsques de la sonde passve du ype Tek 639A [34] Tableau - Caracérsques de la sonde de enson passve Tek P639A [34] : Tenson maxmale Bande Réssance Capacé Capacé compable sur Aénuaon DC ou RMS passane d enrée d enrée l enrée de l osclloscope 300 CAT III x0 500 MHz 0 MΩ 8 pf 8 à 8 pf I Les sondes acves Il exse pluseurs consruceurs de sonde de enson acve comme par exemple la socéé Tekronx [34] ou la socéé Teseq Schaffner [36] Pour nore beson, nous avons denfé une sonde de enson acve de la socéé Tekronx èle P505 [34] don les caracérsques son présenées dans le Tableau 3 Tenson dfférenelle maxmale DC ou RMS 300 pc 000 CAT II Tableau 3 - Caracérsques de la sonde de enson acve Tek P505 [34] : Aénuaon Bande passane Réssance d enrée Capacé d enrée x50 / x MHz 4 MΩ 7 pf I3 Concluson sur le chox de la sonde de enson pour nore monage Pour nore monage, nous allons prvléger l ulsaon de sonde de enson passve Tek P500, vor déal dans la pare I En effe, cee sonde de enson es adapée en ermes de nveau de enson à mesurer aénuaon e calbre en enson De plus, elle présene une bande 43

89 passane élevée qu correspond à nos besons D aure par, cee sonde passve es compable avec les osclloscopes don nous dsposons I3 Ineracon enre la sonde de enson e l enrée de l osclloscope Le bu de cee pare es d explquer l neracon enre la sonde e l enrée de l osclloscope afn de ben chosr des apparels compables De plus, nous allons vor pourquo effecuer un réglage de la capacé d enrée de la sonde de enson compensaon Basse Fréquence Nous allons effecuer une élsaon smplfée de la sonde de enson relée à une enrée de l osclloscope vor Fgure 8 Fgure 8 - Modélsaon smplfée de la sonde de enson aénuarce relée à l osclloscope Le câble peu nrodure des phénomènes de résonances amenés par les nducances parases lé à la longueur du câble du fls de masse, mas nous allons néglger ces phénomènes en consdéran un monage de la sonde effecué de manère opmale Sur ce schéma smplfé, consdérons une capacé noée «C équvalen» égale à C câble C corps C o L assocaon de la sonde e de l osclloscope forme un pon dvseur RC avec pour foncon de ransfer dans le domane de Laplace Hp : c d 6 A- 3 Avec : - d e$ : le gan à basse fréquence pouvan s écrre : d e$ - - f : : la consane de emps pouvan s écrre : f : - a ég0hqjs - f 6 : la consane de emps pouvan s écrre : f 6 - a - c : la varable de Laplace Afn d avor une même aénuaon de oues les fréquences l fau que f : so égale à f 6, c esà-dre que : Avec : a ég0hqjs a - a - a ég0hqjs A- 4 Cee condon d égalé sera aene en jouan sur la capacé varable présene dans le corps de la sonde a "l La compensaon basse fréquence éan effecuée en relan la sonde de enson à un généraeur de sgnal créneau présen sur l osclloscope Ans la sonde es de sous-compensée lorsque - a Y- a ég0hqjs e es de surcompensée lorsque - a m- a ég0hqjs oc un exemple d une assocaon de sonde de enson passve Tek P500 avec un osclloscope Tek TDS5054B [34] Les paramères son : - 0'Ω ; a,75cn ; a "l 7cn ; 30cn ; a 8cn ; - 'Ω Sur ce exemple, la capacé amenée par le câble sera volonaremen néglgé, alors qu en praque elle sera compensée par le réglage sur sgnal carré généraeur créneau de l osclloscope Nous obenons ans une capacé du corps de la sonde qu devra êre réglé à : a "l 9,5cn, ce qu enre ben dans la plage de réglage prévu par cee sonde Cee sonde de enson es ben compable avec l osclloscope chose 44

90 Remarque : l es mporan de noer que la compensaon Basse Fréquence consue qu un des réglages à effecuer sur la sonde de enson En effe, ce ype de sonde de enson propose d aures réglages afn de garanr une bonne mesure A savor, la compensaon Haue Fréquence, le réglage du gan précson en connu e le réglage Haue Fréquence pour plus de déal, vor [35] Annexe II : Mse en place de la commande analogque du banc d essa «méhode d opposon» sur le logcel de smulaon PSIM e premers consas sur les lmes du monage II Mse en place du ulaeur Pour mere en place la commande MLI, nous allons ulser une commande par comparason enre une poreuse e une ulane vor Fgure 9 Une fos la foncon MLI défne, nous pouvons ajouer des emps mors en sore du sgnal qu sera envoyé aux nerrupeurs Cee sécuré perme de s assurer que les deux nerrupeurs d un même bras de commuaon ne soen pas fermés smulanémen e éve le cour-crcu du bus connu por T αtdec Tdec Fgure 9 - Formes d ondes explquan le prncpe d une commande MLI par comparason d un sgnal ulan avec une poreuse rangulare II Mse en place de la boucle de régulaon Le bras esclave va êre ploé afn de réguler le couran raversan l nducance d opposon Le bu de cee régulaon éan d mposer une enson aux bornes de l nducance d opposon afn d avor un couran de forme snusoïdale e déphasée d un angle chos par rappor à la enson de ulaon Pour cela, un régulaeur de couran de ype Proporonnel Inégral PI va êre ulsé vor Fgure 0 e Fgure En effe, le régulaeur PI perme d assurer une bonne précson grâce au erme négral e une bonne sablé grâce au erme proporonnel 45

91 Fgure 0 - Schéma explquan le prncpe de la régulaon de couran PI Fgure - Dagramme de Fresnel présenan les dfférenes varables ms en jeu dans nore monage à la fréquence du sgnal ulan oc l équaon qu nous a perms de représener le dagramme de Fresnel précéden : j L ω esclave f A- 5 maîre f opp opp La Fgure présene le schéma bloc de prncpe de la boucle de régulaon de couran en nsananée domane de Laplace avec «p» la varable de Laplace Fgure - Schéma bloc de prncpe de la boucle de régulaon de couran en nsananée avec la compensaon Avan de régler nore régulaeur, nous voyons sur ce schéma bloc apparaîre une perurbaon Elle correspond à la varaon de la enson du bras maîre maîre qu évolue à la fréquence de la ulane basse fréquence, c'es-à-dre pluô lenemen par rappor à la dynamque de la boucle de couran Cee perurbaon peu êre compensée en ulsan le sgnal ulan du bras maîre conformémen à la Fgure e avec l équaon suvane : compensa on maîre ref maîre A- 6 bus Une aure perurbaon, qu n apparaî pas sur le schéma bloc, es une erreur consane nrodue par les emps mors e qu se radu par une chue de enson supplémenares dans le crcu élecrque d opposon Nous avons esmé dans un premer emps que cee erreur saque peu êre compensée par la pare négrale du correceur La Fgure 3 présene le schéma bloc équvalen de la nouvelle boucle compensée 46

92 Fgure 3 - Schéma bloc de prncpe de la boucle de régulaon de couran en nsananée une fos la compensaon effecuée A parr de ce schéma bloc, nous allons régler les paramères de nore régulaeur PI donc la foncon de ransfer es : T p R p K A- 7 T p Le dagramme de Bode permean d explquer le chox des paramères du correceur es présené sur la Fgure 4 Fgure 4 - Dagramme de Bode permean d explquer le chox des paramères du correceur PI Nous nous fxons une bande passane : ω qrs π u vw x qu donne : ωbp an60 T e une marge de phase de 60 Ce A- 8 T an60 f d π 4 A- 9 ans : Ensue, nous avons un gan unare à la pulsaon de la bande passane ω qrs, nous rouvons K Loppω BP Avec : k A- 0 bus k 47

93 Exemples d applcaons numérques : - Pour un fréquence de découpage fable : f d khz ; L opp mh e bus 600 T,06 ms,680 3 K - Pour un fréquence de découpage élevée : f d 0kHz ; L opp mh e bus 600 T 55, µs 5,360 3 K Remarque : mse en place d une boucle «an-wndup» : En plus, de la smple régulaon par correceur PI, nous allons mere en place une boucle de «anwndup» afn de conrôler le calcul négral de nore correceur Cee boucle perme donc de prendre en compe l évenualé de sgnaux saurés e ans d arrêer l négraon lors de ces sauraons Cee foncon permean de rendre nore commande plus robuse II3 Premers consas sur les lmes du monage II3 Lme de la plage de varaons du déphasage Nous consaons sur les smulaons PSIM que la plage de fonconnemen du déphasage se vo rédure par les emps mors Le couran dans l nducance d opposon ne su pas la snusoïde de référence vor exemple proposé sur la Fgure 5 Fgure 5 - Formes d ondes obenues sous PSIM du couran dans l nducance d opposon e sa consgne lorsque le déphasage es nul, fd,5khz e le emps mor valan 0µs La Fgure 6 monre un schéma de prncpe présenan les chues de enson amenées par la mse en place de emps mor Fgure 6 - Schéma de prncpe présenan les chues de enson amenées par la mse en place de emps mor 48

94 L équaon qu exprme la chue de enson amenée par les emps mors pour une MLI régulère peu s écrre sous la forme suvane : Tmor T F sgn opp A- bus Avec : - Tmor : la chue de enson amenée par le emps mor, - bus mor : la enson de bus applquée au bras de commuaon, - T mor : le emps mor, - F d : la fréquence de découpage, d - sgn : le sgne du couran dans l nducance d opposon posf ou négaf opp Ce problème de lmes de plage de fonconnemen du déphasage dû aux emps mors, peu ou auss ben ne pas en êre un s nous n avons pas beson de balayer l ensemble des déphasages possbles Une soluon consse à amélorer la commande pour compenser ces emps mors Mas n a pas éé adopé dans un premer emps II3 Lme de fonconnemen due aux profondeurs de ulaons maxmales Nous avons une lme de fonconnemen donnée par les profondeurs de ulaons maxmales, c es-à-dre, les ensons maxmales que peuven générer les deux bras Le pre cas éan lorsque le déphasage es de 90 comme nous pouvons le vor sur le dagramme de Fresnel présené sur la Fgure 7 Fgure 7 - Dagramme de Fresnel présenan les dfférenes ensons ms en jeu sur le monage d opposon lorsque le déphasage vau 90 II4 Noes sur le emps mnmum de conducon, les emps mors, les buées des ulanes e les réglages lés à ces emps Il es parfos mporan de garanr un emps de conducon d un sem-conduceur lors d un fonconnemen en e onduleur MLI Pour cela, nous allons déaller les formules permean de régler les dfférenes varables de la commande afn de garanr un emps de conducon mnmum chos, noé : "yh Nous obenons avec ce fonconnemen un emps de conducon mnmum : "yh z h! ys" { A- Sachan que nous pouvons écrre pour nore monage : z h {M Q@ A- 3 Le emps de conducon mnmum peu auss s écrre : "yh! ys" {M { A- 4 49

95 Exemple pour comprendre le réglage e les lmes : S la profondeur de ulaon es fxé à : M Q 0,9 Nous avons un rappor cyclque mnmum de : z h 0,05 Mas que nous souhaons auss avor un emps de conducon mnmum de : "yh 0μ Alors pour une fréquence de découpage de :! ys" ; le emps mor maxmum pourra êre de : }E~ 40μ Pour! ys" ; le emps mor maxmum pourra êre de : }E~ 5μ ec Nous voyons c apparaîre le problème d un emps mor rop pe Il faudra donc une fos avor aen le emps mor mn que nous souhaons respecer fxer noammen par les vesses de commuaon des sem-conduceurs [37], so dmnuer la profondeur de ulaon, so lmer la fréquence de découpage, so revor à la basse le emps de conducon mnmum que nous avons chos Le réglage des profondeurs de ulaon ou buées de fonconnemen : Nous avons vu qu l nous a fallu nous fxer des valeurs pour les exremums du rappor cyclque e cela afn de garanr un emps de conducon mnmum, pour une fréquence de découpage e un emps mor chos Mas cela ne suff pas, en effe, ces buées seron applquées sur le bras régulé en sore du PI Mas nous allons vor que le régulaeur do compenser les effes des emps mors e qu l sera donc néressan de dmnuer la profondeur de ulaon du bras esclave en boucle ouvere afn d augmener la plage de fonconnemen du bras régulé e ans s assurer une bonne reproducon du couran de consgne Nous avons une nducance enre les bras, nous pouvons donc consdérer que la régulaon reprodu quasmen le même rappor cyclque sur le bras régulé, que celu fxé sur le bras en boucle ouvere Or, la présence de emps mor oblge la régulaon à fer ce rappor cyclque afn de compenser les effes de ces emps mors Nous pouvons ans écrre la nouvelle expresson du rappor cyclque pour le bras régulé suvane : z : ys" 5ƒ5 ll A- 5 L ndce correspond au bras régulé e l ndce au bras en boucle ouvere Le pre cas se sue lorsque le déphasage enre les bras es de 90 Dans ce cas, lorsque le couran dans l nducance change de sgne, nous avons un exremum de rappor cyclque sur le bras en boucle ouvere e donc auss sur le bras régulé Ans s nous cherchons à fxer la profondeur de ulaon du bras en boucle ouvere, en foncon de la fréquence maxmale de découpage souhaée e la profondeur de ulaon du bras régulé préalablemen réglée en foncon des emps de conducon mnmum ec, nous allons ulser l expresson suvane : M Q6 YM Q: {4! ys" A- 6 Exemple pour comprendre les dfférens réglages : Les vesses de commuaon e les reards de l allumeur nous amène à chosr un emps mor mnmum pour garanr le bon fonconnemen Dans nore exemple, celu-c es de 3µs Le emps de conducon mnmum es fxé par le ype de composan e ces caracérsques, consdérons µs ce qu es rès fable pour de l IGBT-S mas qu ne pose pas de problème avec nos composans SC Nous souhaerons aendre une fréquence de découpage maxmale de 0kHz valeur souven fxée par le sysème Nous allons ans fxer les profondeurs de ulaon de nos bras afn de respecer l ensemble de ces conranes, ou en reprodusan le plus fdèlemen la consgne en couran Ans la profondeur de ulaon du bras régulé devra êre : So : M Q:Q 0,8 M Q:Q {! ys" A- 7 E la profondeur de ulaon du bras en boucle ouvere devra êre : M Q6 Y0,56 50

96 Annexe III : Pré-dmensonnemen de la pare élecrque du banc d essa «méhode d opposon» par smulaons du conversseur sous le logcel PSIM e par mse en équaons III Pré-dmensonnemen de l almenaon du bus connu Le bus connu do êre relé à une almenaon qu aura deux foncons, d un par elle do permere de charger les condensaeurs présens sur le Bus, e d aure par elle fourn la pussance nécessare correspondan à l ensemble des peres de nore monage C es-à-dre, les peres dans les sem-conduceurs des deux bras de nore monage, mas auss les peres dans les dfférens élémens passfs du monage : condensaeurs sur le bus, nducance d opposon Dans une premère approche, la enson maxmale de l almenaon do correspondre à la enson maxmale des packs Pour l nsan, nous dsposons de pack SC enan 00 L almenaon devra donc pouvor moner jusqu à 00 envron ore un peu plus s nous souhaons eser d aures packs dans le fuur Mas ce dmensonnemen ne enan pas compe des surensons au blocage des composans qu lmen la enson de bus, nous allons parr sur une enson maxmale de 00 pour l almenaon ce qu es largemen suffsan Umax00 La pussance maxmale de l almenaon : - Pussance maxmale dans un pack S IGBT EUPEC FF300R7KE3 Tc5 C e Tvj50 C Ppackmax 450W Ce pack nous servan de gabare pour le dmensonnemen sachan que cee pussance évacuée correspond à un maxmum que nous ne pourrons pas aendre en praque - Pussance maxmale dans l nducance d opposon, s nous consdérons une réssance sére d envron R S 0 mω cee valeur évoluera suvan l nducance chose Ce qu donne : 3 Pmax Rs I opp eff / 800W - Les peres dans les condensaeurs de flrage son néglgés car les réssances sére de ces condensaeurs rese fable e nous allons avor pluseurs condensaeurs en parallèle ce qu rédu la réssance sére équvalene De plus, le couran effcace dans les condensaeurs es lu auss fable - L nducance de lssage du couran sur l almenaon présene des peres néglgeables En effe, l almenaon ne fournssen que la pussance nécessare aux peres du monage envron : P oal W, sous la enson bus de 00, cela donne des courans rès fable d envron une dzane d ampère Donc des peres fables dans l nducance de lssage L almenaon devra donc avor une enson réglable de 0 à 00 envron e délvrer une pussance de mnmum d envron 0kW Après avor fa pluseurs devs chez la socéé Technx, pour des rasons de budges, nous avons décdé de bénéfcer d une almenaon dsponble dans les locaux d ALSTOM bâ F e répondan enèremen à nos besons Elle peu fournr une pussance d envron 0kW sous k III Pré-dmensonnemen du flre d enrée de l almenaon condensaeurs e nducance de lssage III Pré-dmensonnemen des condensaeurs Le bu éan de dsposer d un monage où les bras de commuaon son les plus symérques possbles C es-à-dre, que nous allons dsposer de deux Bus-barres, un pour chaque bras de commuaon sur lequel nous allons placer un ou pluseurs condensaeurs Nous devons auss dmnuer au maxmum l nducance de boucle, l va donc fallor placer un condensaeur prncpal de flrage e des condensaeurs de découplage au plus près du pack 5

97 Pour dmensonner les condensaeurs, ou d abord, nous connassons la enson maxmale qu correspond à celle des calbres des packs Ensue, nous devons esmer les courans qu raversen ces condensaeurs pour le calbrer en couran effcace e couran maxmal Pus, nous allons nous fxer une ondulaon de enson aux bornes de ces condensaeurs, afn d esmer les capacés nécessares La Fgure 8 présene un exemple de résula de smulaon présenan la enson e couran d un condensaeur, ans que le couran absorbé par le monage e le couran fourn par l almenaon Fgure 8 - Relevés de smulaon PSIM présenan noammen la enson e le couran dans les condensaeurs de flrage Sur ce monage, nous observons une ondulaon de la enson sur le Bus à deux fos la fréquence de la ulane Cee oscllaon es causée par la pussance flucuane au nveau de l nducance d opposon Le schéma de prncpe du flre d enrée es présené sur la Fgure 9 Fgure 9 - Schéma de prncpe du flre d enrée En nous plaçan à deux fos la fréquence de la ulane e en résonnan avec les èles d mpédances e des valeurs crêes à crêes, nous pouvons écrre : Sachan que : ˆ Iˆ Cbus f Cbus oal f Cbus oal ω ˆ Cbus f Cbus f Nous pouvons esmer la valeur oale des condensaeurs : C ˆ bus oal I ω Cbus f A- 8 A- 9 Cbus oal f A- 30 5

98 Calcul du couran crêe dans le condensaeur à deux fos la fréquence de la ulane : Consdérons le couran fondamenal sur l nducance d opposon comme éan : opp fond I opp maxsn ω A- 3 Nous pouvons écrre que la enson fondamenale aux bornes de cee nducance es : v dopp fond Lopp Lopp ω I opp max cos ω A- 3 d opp fond So le calcul de la pussance flucuane dans l nducance d opposon : vopp fond Lopp ω I opp max sn ω A- 33 opp fond Conservaon de la pussance nsananée en néglgean les peres : opp fond vopp A- 34 bus Cbus oal f Le couran dans le condensaeur à deux fos la fréquence de la ulane peu s écrre : fond Lopp ω I opp max sn ω A- 35 Cbus oal f bus Applcaons numérques pour un des cas les plus défavorables : Hypohèses : L opp mn 00µH vor pare sur dmensonnemen de l nducance d opposon pour comprendre le chox de cee valeur ; f max 500Hz ; I opp max 600A ; bus mn 500 Lopp ω Cbus oal f I max 6,9A max opp bus En nous fxan une ondulaon de enson Cbus f à % de la valeur maxmale de la enson sur le Bus, so : Cbus f 00 Nous pouvons calculer les valeurs de 00 C C : bus bus Iˆ C bus Cbus ω Cbus f Cbus oal f 6,9 Ce qu donne numérquemen : Cbus Cbus 3,7mF 00 π So une valeur chose des condensaeurs d envron : C C mf bus bus 3 A- 36 Dmensonnemen par smulaon sous PSIM : S nous procédons par smulaon sous PSIM e que nous réalsons une FFT du couran dans le condensaeur sur le Bus-barre, nous pouvons mesurer la valeur du couran crêe à deux fos la fréquence ulane La Fgure 0 présene la mesure de la FFT du couran de référence, du couran dans l nducance d opposon e du couran dans une des deux condensaeurs Avec les mêmes hypohèses pour la smulaon que celles prses pour les calculs analyques : bus mn 500 ; 53

99 f max 500Hz ; L opp mn 00µH ; I opp max 600A ; m a max 0, 9 ; emps mor µs ; f d max 0kHz ; ϕ 90 Fgure 0 - Transformées de Fourer obenues sous PSIM du couran dans un condensaeur du busbarre Nous mesurons sur ce relevé sur un des condensaeurs : Applcaons numérques : En nous fxan une ondulaon de enson enson sur le Bus C bus 00 Cbus f 7 3,38mF 00 π 500 So une valeur sandard chose pour les condensaeurs de : I ˆCbus 7 f A à % de la valeur maxmale de la C C mf Sachan bus bus 3 que nous allons ajouer des condensaeurs secondares qu devraen compléer la valeur de 3mF Une fos ces deux condensaeurs de 3mF mse en place sur le bus-barre, nous avons effecué une smulaon sous PSIM pour vérfer l ondulaon de enson du bus pour les mêmes paramères que précédemmen vor Fgure Nous voyons sur cee smulaon PSIM que nous rerouvons envron l ondulaon de enson de % de la valeur maxmale de la enson sur le Bus, Cbus f pusque nous avons au leu des héorque d ondulaon 54

100 opp ref bus Cbus f Cbus Fgure - Relevés de smulaon PSIM présenan noammen la enson e le couran dans les condensaeurs de flrage III Pré-dmensonnemen de l nducance de lssage Nous souhaons flrer l ensemble des perurbaons harmonques présenen sur le couran d enrée Nous avons vu qu l y a de la composane à deux fos la fréquence de la ulane e des composanes à la fréquence de découpage La valeur de l nducance de lssage es donc calculée à parr d un crère fréquenel S nous chosssons d aénuer de 40dB les raes cenrées sur deux fos la fréquence de la ulane, nous avons : So la foncon de ransfer du flre suvane : Or, nous savons que : f 0 f f f 0 f A G ω ω0 flrage bus oal A- 38 A- 39 π L C So : L flrage π f f Cbus oal 0 Applcaons numérques pour un des cas les plus défavorables : L flrage f mn 50 C 30 π bus oal 0 π 0 3 4,mH A

101 Nous allons donc prendre pour valeur pour l nducance de flrage ayan pour valeur mnmale : L flrage 43mH mnmum Avec un couran la raversan d envron 0A maxmum lé aux peres du monage Dans la praque, nous dsposons d une nducance ALSTOM de 70mH pour 50A avec des pons nermédares : [ mH], qu von nous permere d ajuser au plus juse la valeur de cee nducance Après smulaon sous PSIM, nous consaons qu avec les valeurs de C L flrage 70mH e C mf nous avons des oscllaons à la fréquence de coupure du flre LC Or, ces bus bus 3 oscllaons condusen à des varaons mporanes de la enson sur le Bus Sachan que nous nous sommes fxés une ondulaon maxmale de enson sur le Bus de % de la enson de Bus maxmale, nous devons amorr ces oscllaons Pour cela, sous PSIM, nous devons placer une réssance en sére avec l nducance de flrage afn d amorr ces oscllaons L amorssemen de cee oscllaon à la fréquence de coupure du flre peu s exprmer sous la forme : R s flrage Cbus oal ζ A- 4 L Nous voyons donc sur cee formule l mporance d avor pour les smulaons une fore valeur de réssance en enan compe de la chue de enson sur causée par l ajou de cee réssance La Fgure présene un exemple de smulaon sous PSIM permean d llusrer l amorssemen de l ondulaon de la enson sur le Bus au démarrage pour les paramères suvan : L flrage 70mH ; Cbus Cbus 3mF ; bus mn 500 ; f max 500Hz ; L opp mn 00µH ; I opp max 600A ; m a max 0, 9 ; emps mor µs ; f d max 0kHz ; ϕ 90 opp ref flrage bus Oscllaon à 7,76Hz fréquence de coupure du flre oscllaon à khz xf bus Cbus Cbus Fgure - Exemple de smulaon sous PSIM permean d llusrer l amorssemen de l ondulaon de la enson sur le Bus au démarrage En praque, ce problème d amorssemen de la enson de bus au démarrage du monage ne nous arrvera pas pusque nous ne démarrerons jamas sous plene pussance rampe de démarrage Remarque : Le couran qu va raverser l nducance de flrage resera de quelques dzanes d ampères pusqu l s ag unquemen du couran almenan les peres du monage 56

102 III3 Pré-dmensonnemen de l nducance d opposon L nducance d opposon perme d accoupler les deux bras de commuaon, sa valeur va condonner la qualé de la forme d onde du couran de sore du bras onduleur En effe, nous avons vu que la régulaon de couran joue sur la enson aux bornes de cee nducance pour obenr le couran souhaé Les crères de dmensonnemen de cee nducance son la valeur du couran qu la raverse valeur effcace e maxmale e l ondulaon maxmale admssble sur ce couran Le couran qu raverse cee nducance d opposon a pour expresson : fond opp max I sn ω ϕ opp A- 4 Dans nore cas, nous aurons : I opp 600A max 600 So une valeur effcace de : I opp eff 44,6A Nous devons esmer l ondulaon de couran I lorsque la fréquence de ulane es fable vore nulle Pour cela, nous allons nous placer dans une phase de roue lbre comme le monre le schéma de prncpe présené sur la Fgure 3 opp Fgure 3 - Une phase de roue lbre sur le schéma de prncpe «méhode d opposon» Hypohèses de raval : Nous nous plaçons dans une phase de roue lbre avec > 0 Nous avons le semconduceur T e la dode D qu son passans Le sem-conduceur T es de ype IGBT pour cee éude en praque, nore monage pourra êre moné avec dfférenes echnologe, so IGBT-S, so MOSFET-SC Ce IGBT ans que la dode D, seron élsés à l éa passan par une source de enson 0 T e 0 D en sére avec une réssance R d T e R d D D aure par, l nducance d opposon sera élsé avec une réssance sére R S 0 mω Dans cee phase de roue lbre, nous voyons que le couran dans l nducance d opposon opp es rég par l équaon dfférenelle suvane : Lopp dopp 0 T 0 D opp Req d Req opp A- 43 Avec : R R R R A- 44 eq S d T d D La soluon de cee équaon dfférenelle nous perme d obenr l évoluon de opp pour un rappor cyclque maxmal, c es-à-dre pour cos ϕ 0 : 57

103 opp 0 T 0 D 0 T 0 D τ I opp max e A- 45 R eq Req Avec, la consane de emps de décharge de l nducance d opposon : Lopp τ A- 46 R eq La forme du couran dans l nducance d opposon es présenée sur la Fgure 4 Fgure 4 - Formes d ondes du couran de référence e du couran mesuré dans l nducance d opposon, à l échelle de la fréquence de découpage Nous pouvons remplacer l exponenelle d évoluon du couran opp par une angene à l orgne pusque la consane de emps τ es grand devan la pérode de découpage L ondulaon du couran peu ans s exprmer : Avec : I I A- 47 opp opp max opp mn I opp mn la valeur du couran pour αt d L expresson de l ondulaon de couran deven : opp m T R 0 T I opp max Req eq 0 D a max d A- 48 Lopp Pour une ondulaon maxmale de couran chose, nous pouvons esmer la valeur de l nducance d opposon à mere en œuvre dans nore manpulaon, à parr de cee équaon : L opp m R 0 T I opp max Req eq 0 D a max A- 49 fd opp Applcaons numérques : - Pour une ondulaon maxmale du couran de 5% de la valeur maxmale de I opp max 600A So : opp 30A max - Pour les sem-conduceurs, nous prenons pour hypohèses que nous avons un seul pack S IGBT EUPEC FF300R7KE3 avec Tj5 C, ce qu condu aux caracérsques suvanes : R d T 4, 6mΩ ; R d D, 7mΩ ; 0 T ; 0 D, 58

104 - La fréquence de découpage sera prse mnmale afn de garanr l ondulaon maxmale pre cas de fréquence de découplage So : f f khz d d mn Nous avons donc le calcul de la valeur de l nducance suvan : ,60,70 00, L 0 opp, µH ,60, Nous pouvons dsposer d une nducance nerne ALSTOM présenan des pons nermédares permean de fonconner avec : L opp µh [ ] [ ] La Fgure 5 présene le résula de smulaon dans les condons décres précédemmen : L flrage 70mH ; Cbus Cbus 3mF ; bus mn 500 ; f 0Hz ; L mh opp 400 ; I opp max 600A ; m a max 0, 9 ; emps mor µs ; f d mn khz ; ϕ 90 opp ref Ioppmax opp Ioppmn Fgure 5 - Relevés PSIM du couran de consgne e du couran mesuré, ans que les bornes mnmum e maxmum du couran Sur ces smulaons dans les confguraons que nous avons choses précédemmen cas crque, nous consaons que l ondulaon chose de 5% de la valeur maxmale du couran es respecée Le dmensonnemen de l nducance que nous avons effecué correspond à une valeur mnmale permean le garanr une ondulaon de couran chose, pour des fréquences de ulaon fable vore nulle Mas cela ne suff pas pour balayer l ensemble des pons de fonconnemen du monage En effe, une valeur rop fore d nducance peu amener à un flrage de la snusoïde à la fréquence de ulane ce qu peu dégrade les formes d ondes du couran dans l nducance d opposon Ce flrage correspond à une lme physque du monage En fa, la commande ne peu pas mposer une charge de l nducance d opposon ayan une rapdé ou pene supéreure à cee la lme physque oc l expresson exprman cee lme physque : m pene self bus bus max α max a max A- 50 Lopp Lopp Il faudra donc pour cerans pons de fonconnemen nécessan une pene supéreure à cee lme physque so dmnuer la valeur de l nducance so augmener la enson de bus Cee dmnuon de la valeur de l nducance pourra se fare par paler grâce à des pons nermédares prs sur l nducance de dépar de mh 59

105 Nous avons donc une valeur mnmale de valeur d nducance d opposon à manenr pour garanr l ondulaon de couran chose, avec l expresson déjà explquée précédemmen e obenue sur une phase de roue lbre : R R R S d T d D 0 T 0 D L opp ma max I opp max A- 5 fd opp RS Rd T Rd D Mas nous avons auss beson de garanr que la pene fxée par les paramères physques du monage so ben supéreure à la pene mposée par la consgne en couran afn de rendre possble la régulaon du couran La Fgure 6 présene un exemple de pon de fonconnemen où la pene fxée par les paramères physques du monage es nféreure à la pene mposée par la consgne en couran : L flrage 70mH ; Cbus Cbus 3mF ; bus mn 500 ; f 00Hz ; L mh opp ; I opp max 600A ; m a max 0, 9 ; emps mor µs ; f d mn 0kHz ; ϕ 90 Fgure 6 - Relevés PSIM du couran de consgne e du couran mesuré, ans que les bornes mnmum e maxmum du couran, dans une suaon où le chox de la valeur de l nducance d opposon n es pas adapé Sur ces relevés PSIM nous voyons claremen apparaîre la lme physque du monage qu empêche une bonne reproducon du couran de consgne malgré une valeur d nducance dmensonnée pour garanr une ondulaon de couran accepable Afn de connaîre la pene maxmale mposée par la consgne en couran, nous allons calculer la angene à l orgne de la snusoïde en couran Pour cela, nous allons écrre le couran de consgne sous la forme de l équaon : ref opp max I sn ω ϕ opp A- 5 Pour ce calcul, nous allons consdérer un fonconnemen à déphasage nul ϕ 0 pusque celu-c n nflue pas sur la pene à l orgne de nore couran de consgne La pene à l orgne de cee snusoïde s oben par dérvaon à l orgne Nous obenons une pene pour le couran de consgne qu peu s écrre sous la forme : pene ref max I π f A- 53 opp max 60

106 Afn de garanr un bon fonconnemen du monage nous devons garanr que : α pene self [ pene I π f ] max bus max > ref max opp max Lopp A- 54 Ce qu donne une valeur maxmale de l nducance d opposon : L opp < I α max opp max bus π f A- 55 Nous voyons c apparaîre une lme haue de la valeur de l nducance Cee lme peu êre représenée sur un graphe ayan pour axes : les valeurs de l nducance d opposon e la fréquence ulane E cela pour un nveau de enson de bus, de profondeur de ulaon e de couran maxmum dans l nducance d opposon fxé Sur ce graphe, nous allons donc fare évoluer la fréquence de ulane, or l ondulaon de couran a pu êre fxée pour une fréquence de ulane fable vore nulle, l fau donc vérfer l évoluon de cee ondulaon de couran lorsque la fréquence ulane augmene Pour cela, nous nous plaçons cee fos duran la phase de monée du couran dans l nducance d opposon, avec opp > 0 e nous allons néglger les dverses réssances de cee nouvelle malle Nous pouvons écrre l expresson de l ondulaon ans : bus α α opp A- 56 L f opp d L ondulaon maxmale du couran correspond donc à un écar α α maxmal Ce écar es maxmum lorsque le déphasage enre le couran e la enson aux bornes de l nducance d opposon es de 90 A l échelle de la fréquence ulane, nous pouvons donc écrre en valeur maxmale pour π ϕ : m a m a bus L ˆ ω A- 57 opp I opp Sachan que la profondeur de ulaon peu s écrre : Nous pouvons écrre : a α m A- 58 α Lopp ω Iˆ opp α A- 59 max Ce qu donne une expresson de l ondulaon maxmale du couran ndépendane de l nducance de boucle mas qu le la fréquence de ulane à la fréquence de découpage e qu peu s écrre : opp max π Iˆ opp bus f f d A- 60 En praque, s nous gardons comme consgne une ondulaon maxmale du couran de 5% de la valeur maxmale de I opp max 600A So : opp max 30A Nous obenons un faceur d envron 3,5 enre la fréquence ulane e la fréquence de découpage f d 3, 5 f 6

107 La Fgure 7 présene le racé des valeurs de l nducance d opposon en foncon de la fréquence ulane En prenan comme hypohèse, pour l équaon résan la lme basse de la valeur de l nducance, que nous avons : f dec 3,5 f, avec fdec mnmum khz 00 Lopp ff avec busmn500 ; Ioppmax600A ; mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz Lopp µh f Hz Loppmax µh Loppmn µh Lopp000µH Lopp800µH Lopp600µH Lopp400µH Lopp00µH Lopp90µH Zone à éver Zone de bon fonconnemen Zone à éver Fgure 7 - Tracés de la valeur de l nducance d opposon en foncon de la fréquence ulane pour bus, M max, I oppmax fxés Sur ce racé nous nous sommes placé dans le pre cas, pusque nous avons prs la enson de bus mnmale, un couran maxmal e pour la lme basse d nducance obenue avec une fréquence de découpage mnmale f dec 3,5 f e fdec mnmum khz Nous voyons claremen qu l sera nécessare de jouer sur la valeur de l nducance d opposon afn de garanr ous les pons de fonconnemen Afn de meux appréhender ces lmes de fonconnemen, nous avons représené sur des graphes le couran de consgne maxmum en foncon de la fréquence de ulane, pour des valeurs de l nducance d opposon dfférenes vor Fgure 8 Les hypohèses de smulaon éan : bus mn 500 ; f [ 0 500Hz] ; f dec 3,5 f e fdec mnmum khz ; I opp 0 600A ; 0, 9 L opp µH max [ ] m ; [ ] a max Sur ces graphes, nous voyons les deux lmes apparaîre, la lme calculé pour éver le problème des penes ou dynamque du monage e la lme calculé pour garanr une ondulaon maxmale du couran Pour la valeur d nducance maxmale de mh, seule la lme due aux penes lmen les pons de fonconnemen du monage E à l nverse, pour la valeur mnmale de l nducance 00µH ou 90µH, seule la lme due au crère d ondulaon maxmale lmen les pons de fonconnemen du monage Sachan que cee lme es lée à la fréquence de découpage qu a éé fxée à : f dec 3,5 f e fdec mnmum khz 6

108 Iopp max ff avec busmn500 ; mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz ; Lopp000µH Iopp max ff avec busmn500 ; mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz ; Lopp800µH Iopp max A Iopp max A Iopp max A Zone de bon fonconnemen lme physque du monage Iopp max ff avec busmn500 ; mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz ; Lopp600µH Zone de bon fonconnemen lme physque du monage f Hz f Hz Iopp max ff avec busmn500 ; mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz ; Lopp00µH Zone de bon fonconnemen Zone à éver lme due au Dela chose Zone à éver lme due au Dela chose f Hz lme physque du monage lme due au Dela chose Iopp max A Iopp max A Iopp max A Zone de bon fonconnemen lme physque du monage Iopp max ff avec busmn500 ; mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz ; Lopp400µH lme physque du monage Iopp max ff avec busmn500 ; mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz ; Lopp90µH Zone à éver lme physque du monage f Hz Zone de bon fonconnemen f Hz Zone de bon fonconnemen f Hz Zone à éver lme due au Dela chose Zone à éver lme due au Dela chose lme due au Dela chose Fgure 8 - Graphes le couran de consgne maxmum en foncon de la fréquence de ulane, pour des valeurs de l nducance d opposon dfférenes Ensue, nous avons observé les effes de l augmenaon de la enson de bus sur les mêmes racés que précédemmen La Fgure 9 présene donc un graphe du couran de consgne maxmum en foncon de la fréquence de ulane, pour une valeur de l nducance d opposon maxmale de mh : bus f 0 500Hz ; L opp 000µH ; mn [ ] ; [ ] m 0,9 ; I opp [ 0 600A] a max max Iopp max ff avec mamax0,9 ; Lopp000µH Iopp max A Zone de bon fonconnemen Ioppmax charge pour bus500 Ioppmax charge pour bus750 Ioppmax charge pour bus000 f Hz bus augmene Ioppmax charge pour bus600 Ioppmax charge pour bus900 Ioppmax charge pour bus00 Fgure 9 - Graphe du couran de consgne maxmum en foncon de la fréquence de ulane, pour une valeur de l nducance d opposon de mh varaon de bus D aure par, nous avons observé les effes de l augmenaon de l ondulaon de couran sur les mêmes racés que précédemmen La Fgure 30 présene donc un graphe du couran de consgne maxmum en foncon de la fréquence de ulane, pour une valeur de l nducance d opposon 63

109 mnmale de 90µH : f [ 0 500Hz] L opp 90µH ; m 0, 9 ; I opp [ 0 600A] a max ; f dec 3,5 f e fdec mnmum khz ; max Iopp max ff avec mamax0,9 ; fd3,5xf e fdmnkhz ; Lopp90µH Fgure 30 - Graphe du couran de consgne maxmum en foncon de la fréquence de ulane, pour une valeur de l nducance d opposon de 90µH varaon de I opp Ces dfférenes zones de bon fonconnemen on ans pu êre vérfées sur le smulaeur PSIM où nous rerouvons les lmes que nous avons défnes analyquemen Il sera donc mporan de se référer à ces graphes pour chosr la bonne valeur de l nducance d opposon, pour des paramères de fonconnemen choss Ce chox se fera parm l ensemble des sores dsponbles sur cee nducance Pour mémore l nducance chose dspose des pons nermédares suvan : µh Il s ag d une nducance à ar d un calbre en L opp [ ] [ ] couran consellé de 600A à 50Hz III4 Pré-dmensonnemen du capeur de couran d opposon Afn de réalser la régulaon du couran dans l nducance d opposon, nous avons beson d un reour mesuré de ce couran Pour cela, nous avons chos de mere en place une mesure par ore ype LEM Pour dmensonner ce capeur, nous devons nous fxer la précson de mesure que nous souhaons bande passane, le couran maxmum mesuré, e le ype d nformaon que nous renvoyons à la commande Dans nore cas, le couran dans l nducance d opposon aura une valeur maxmale : I opp 600A La fréquence de découpage maxmale sera de : f d 0kHz max Iopp max A 600,00 500,00 400,00 300,00 00,00 00,00 Iopp augmene 0, f d Nore régulaon ayan une bande passane de : ω BP π So une fréquence de 4 régulaon maxmale de f BP max 5kHz Le ype de capeur denfé e proposé, es un capeur de marque Honeywell, de référence : CSNS300M Ce ype de capeur fonconne par effe Hall, l nous renvo un couran mage du couran mesuré au nombre de spres près So : I k sore I mes Avec : k le rappor de nombre de spres f Hz Ioppmax roue lbre pour DelaI3%Imax Ioppmax roue lbre pour DelaI4%Imax Ioppmax roue lbre pour DelaI5%Imax Zone de bon fonconnemen max A- 6 Remarque : Il faudra fare aenon dans le chox du capeur à la secon du conduceur que nous souhaons ulsée afn de s assurer que celu-c s nsère convenablemen dans le ore de mesure Ic, la référence du capeur chose offre une secon de 4,5mm En consdéran un conduceur de 0mm en prenan 5A/mm sous 600A maxmum, so un damère du conduceur d envron,36mm S π R, nous consaons que le conduceur e son solan enre dans le ore sans problème La Fgure 3 présene le schéma de prncpe du capeur de couran LEM 64

110 mes soremes x k mes k /000 Capeur LEM Rshun 33Ω ers la commande Care d enrée DSPACE Fls orsadés mes Rshun x mes x k Fgure 3 - Schéma de prncpe décrvan la mesure du couran par le capeur LEM e son raemen avan l enrée dans le DSP Avec ce monage nous allons bénéfcer d une enson varan de 0 à envron 0 maxmum, cee enson éan l mage du couran mesurée par le capeur Cee enson pourra êre exploé par la commande par l nermédare d une care d enrée analogque sur le ule de commande DSP DSPACE Annexe IX : Quelques élémens de la commande numérque sur DSP FPGA pour le fonconnemen de ype «méhode d opposon» e les nerfaces avec le monage IX Programmaon de l nerface ConrolDesk La Fgure 3 présene un exemple d nerface «Expermen» ms en œuvre pour ce monage «méhode d opposon» versons fnales de l affchage Fgure 3 - Exemple 3 d nerface «Expermen» ms en œuvre pour ce monage «méhode d opposon» logcel ConrolDesk dans sa verson fnale 65

111 IX Programmaon du DSP sous Malab/Smulnk La Fgure 33 présene le schéma bloc global qu a pu êre mplané sous Malab/Smulnk Fgure 33 - Schéma bloc de l ensemble de la programmaon Malab/Smulnk pour le fonconnemen «méhode d opposon» IX3 Programmaon du FPGA Alera sous Quarus II Le composan FPGA perme de réalser le ulaeur MLI Ce ulaeur sera mplané sur le logcel Quarus II en langage HDL Pour cela, pluseurs codes HDL représenan chacun des foncons clés de ce ulaeur MLI von neragr enre eux suvan le schéma suvan présené sur la 66

112 Fgure 35 Sur ce fcher de programmaon, nous pouvons renrer en déal sur chacun des blocs HDL ms en œuvre mas nous allons quelques élémens Tou d abord, nous avons le cadre «INPUTSCLKCONSTANTS» qu regroupe d une par l ensemble des enrées du FPGA : l horloge de 6MHz, le Rese provenan du DSP, les deux rappors cyclques sous 8 Bs chacun e l enrée «nfofd» correspondan au «bfd» du schéma bloc Malab/Smulnk D aure par, la défnon des consanes, comme par exemple le emps mor avec l équaon : emps mor dead me A- 6 Mas auss, oues les varables que nous voulons vsualser en sore Le bloc «SWITCHING FREQUENCY GENERATOR» perme de gérer le chox de la fréquence de découpage à parr de l horloge du FPGA «clkn» de 6MHz e du mo «nfofd» sous 8 Bs Nous rerouvons ans sur la sore noé «clk» une horloge ayan pour fréquence : fclk n e le mo «Nmax» sous 8 Bs qu permera au DSP de fare la mse à l échelle des dv clk rappors cyclques La Fgure 34 présene un schéma smplfé permean de meux comprendre le prncpe de la créaon du sgnal de poreuse T clk Nmax compeur décompeur compeur 0 TdecxNmax-xTclk Tclk Fgure 34 - Schéma smplfé présenan le prncpe de la créaon du sgnal poreuse numérque 67

113 Fgure 35 - Fcher du logcel Quarus II permean de programmer le FPGA pour le fonconnemen «méhode d opposon» 68

114 IX4 Récapulaf des dfférenes enrées/sores e lens du DSP, FPGA e care émerce par fbre opque Inerface du DSP : Les cares DS 4003 du DSP enrées/sores numérques : - Conneceur 50 voes : P, ulsé en sore du DSP vers le FPGA o B 0 à 7 : le rappor cyclque du bras : α o B 8 à 5 : le rappor cyclque du bras : α o B 6 à 3 : l nformaon sur le chox de fréquence de découpage bfd o B 8 e 9 : perme de fxer la drecon des voes pour le rappor cyclque du bras en sores choxdir - Conneceur 50 voes : P, ulsé en sore du DSP vers le FPGA o B 0 : Rese - Conneceur 50 voes : P3, ulsé en enrée du FPGA vers le DSP o B 0 à 7 : le nombre de bs maxmum pour les rappors cyclques Nmax, perme d ader au chox de la fréquence de découpage La care DS 004 du DSP enrées analogques : - oe 0 : mesure du couran en /-0 provenan du capeur LEM - oe : reour d un défau allumeur sur l nerrupeur BH - oe : reour d un défau allumeur sur l nerrupeur BB - oe 3 : reour d un défau allumeur sur l nerrupeur BH - oe 4 : reour d un défau allumeur sur l nerrupeur BB Inerface du FPGA : - Conneceur 50 voes : P DSP vers CONA FPGA o Le rappor cyclque du bras : α o B 0 > ADA0 > D0 > pn 00 o B > ADA > D > pn 5 o B > ADA > D > pn 99 o B 3 > ADA3 > D3 > pn 6 o B 4 > ADA4 > D4 > pn 98 o B 5 > ADA5 > D5 > pn 7 o B 6 > ADA6 > A0 > pn 80 o B 7 > ADA7 > A > pn 36 o Le rappor cyclque du bras : α o B 8 > ADA8 > A > pn 79 o B 9 > ADA9 > A3 > pn 37 o B 0 > ADA0 > A4 > pn 77 o B > ADA > A5 > pn 38 o B > ADA > A6 > pn 76 o B 3 > ADA3 > A7 > pn 39 o B 4 > ADA4 > A8 > pn 75 o B 5 > ADA5 > A9 > pn 40 o L nformaon sur le chox de fréquence de découpage bfd o B 6 > ADA6 > A0 > pn 74 o B 7 > ADA7 > A > pn 4 o B 8 > ADA8 > /BE0 > pn 87 o B 9 > ADA9 > /BE > pn 30 o B 0 > ADA0 > /BE > pn 86 o B > ADA > /BE3 > pn 3 o B > ADA > /ARE > pn 9 o B 3 > ADA3 > /AWE > pn 07 o La drecon des voes pour le rappor cyclque du bras en sores 69

115 o B 8-30 > ADA8 o B 9-3 > ADA9 - Conneceur 50 voes : P DSP vers CONB FPGA o Le Rese o B 0 > BDA0 > /AOE > pn 8 - Conneceur 0 voes : P3 DSP vers CON4B FPGA o Le nombre de bs maxmum pour les rappors cyclques Nmax o Broche > DB39 > DA39 > pn 50 o Broche 3 > DB38 > DA38 > pn 57 o Broche 4 > DB37 > DA37 > pn 58 o Broche 5 > DB36 > DA36 > pn 59 o Broche 6 > DB35 > DA35 > pn 60 o Broche 7 > DB34 > DA34 > pn 6 o Broche 8 > DB33 > DA33 > pn 6 o Broche 9 > DB3 > DA3 > pn 63 - Conneceur 0 voes : CON4C FPGA vers care émerce de sgnaux opques o L ordre de commande de l nerrupeur nommé TOP o Broche 9 > DB40 > DA40 > pn 73 o L ordre de commande de l nerrupeur nommé BOT o Broche 8 > DB4 > DA4 > pn 7 o L ordre de commande de l nerrupeur nommé TOP o Broche 7 > DB4 > DA4 > pn 70 o L ordre de commande de l nerrupeur nommé BOT o Broche 6 > DB43 > DA43 > pn 69 Inerface de la care émerce de sgnaux opques : o L ordre de commande de l nerrupeur nommé TOP o Sore U5 o L ordre de commande de l nerrupeur nommé BOT o Sore U4 o L ordre de commande de l nerrupeur nommé TOP o Sore U7 o L ordre de commande de l nerrupeur nommé BOT o Sore U6 La Fgure 36 présene un schéma de prncpe présenan les lasons enre le DSP, le FPGA e la care émerce par fbre opque Affcheur Conroldesk sur écran PC Couran mesurépar le LEM Nmax Enrée analogque Enrées numérques DSP dspace Sores numérques α 8 Bs α 8 Bs bfd 8 Bs RESET FPGA TOP BOT TOP BOT Nmax 8 Bs Care émerce par fbre opque Fgure 36 - Schéma de prncpe de la commande du fonconnemen «méhode d opposon» 70

116 Annexe X : Esmaon des peres dans les sem-conduceurs de pussance en fonconnemen onduleur MLI par la Méhode Calculée X Approche par smulaons de la srucure en ulsan les ules de calculs de peres du logcel PSIM La Fgure 37 présene l oul du logcel PSIM avec PcdEdor permean la créaon du ule de peres à parr des caracérsques saques e dynamques du composan Fgure 37 - Créaon sous PSIM d un ule de calculs des peres d un IGBT à parr du Daashee oc quelques exemples de résulas de smulaon sous PSIM de la srucure avec ules de calculs de peres à parr des courbes des documens du consruceur du composan IGBT en Slcum de chez EUPEC de référence FF300R7KE3 Exemple : Esmaon déallée des peres pour un pon de fonconnemen chose : Hypohèses de smulaon : bus 00 ; f 50Hz; T j 5 C; Lopp mh; I opp max 00A; ma max 0,95; emps mor µs f d 0kHz Tableau 4 - Blan des peres par composan pour un pon de fonconnemen du monage «méhode d opposon» Exemple : Blan des peres par composan en fonconnemen φ90 Bras esclave Bras maîre Dode Transsor IGBT Dode Transsor IGBT Peres en conducon Peres par commuaon Sous oal Toal par composans Les documens du consruceur nous ndque que la semelle du pack peu évacuer une pussance maxmale de 450W sous Tc5 C e Tvj50 C C es-à-dre, que le pon de fonconnemen chos ne pourra pas êre réalsé en praque Il faudra par exemple dmnuer la fréquence de découpage pour êre à des nveaux de peres accepables Nous voyons ans apparaîre 7

117 un des nérês de cee smulaon, qu perme d ancper les lmes de fonconnemen de chacun de nos packs lors du fonconnemen «méhode d opposon» Exemple : Déermnaon des peres oales des packs pour dfférenes fréquences de découpage : Hypohèses de smulaon : bus 00 ; f 50Hz; T j 5 C; Lopp mh ; I opp max 00A; ma max 0,95; emps mor µs Tableau 5 - Blan des peres par composan pour un pon de fonconnemen du monage «méhode d opposon» Exemple : Blan des peres par composans en fonconnemen φ90 Fréquence de découpage khz Toal des peres sur un pack W Concluson sur l nérê de la méhode d esmaon des peres par smulaeur : Nous voyons donc que cee approche par smulaon va nous permere d esmer les peres de nos packs, de manère globale, mas auss en séparan le ranssor e la dode, avec pour chacun une dsncon possble enre les peres en conducon e commuaon Cee éape de smulaon va nous permere une fos les premères caracérsaons de nos packs effecuées de défnr un ule de calculs de peres sur le logcel qu va nous permere d ancper le fonconnemen de nore monage d opposon Nous allons ans pouvor défnr les lmes d ulsaon de nos composans, une fos la caracérsaon «mono-coup» réalsée Les lmes peuven êre par exemple la enson maxmale applcable sur le Bus Celle-c dépend de la enson maxmale observée au blocage du composan afn de ne pas le déérorer, ou en enan compe des marges prses pour s affranchr des problèmes lés aux rayons cosmques D aures lmes peuven êre ancpées : la fréquence de découpage maxmale, les peres maxmales, ec X Approche analyque du calcul des peres en fonconnemen onduleur de enson Nous allons rasonner sur un bras de commuaon commandé par une MLI nersecve, en dsnguan deux cas : le fonconnemen avec des IGBT-S undreconnel en couran e le fonconnemen avec des packs MOSFET-SC bdreconnel en couran En effe, dans les équpemens ferrovares les composans de pussance ulsés aujourd hu son des IGBT-S Dans ces packs, l IGBT es undreconnel en couran, ce son donc les dodes en anparallèle seulemen qu permeen la bdreconnalé en couran Or, l ulsaon de composan MOSFET-SC, ulsés dans le cadre de ce proje, son nrnsèquemen bdreconnel en couran, ce son donc les dodes en anparallèle e le MOSFET qu condusen les courans nverses X La pussance nécessare à la commande du sem-conduceur La pussance absorbée par la pare commande du pack IGBT-S ou MOSFET-SC lors des commuaons sera esmée à parr des relevés de charge de grlle Q en foncon de la enson de commande En règle générale, ces peres peuven êre néglgées mas dans le cas d augmenaon de la fréquence de découpage, l peu êre néressan de le calculer Nous pouvons ans calculer cee pussance à parr de l équaon suvane : P Q f cmde A- 63 g cmde ON cmde OFF d g 7

118 X Schéma de prncpe d un bras d onduleur e convenons de mesures Fgure 38 - Schéma de prncpe d un bras onduleur e convenons de mesures X3 Les peres en conducon X3 Approche pour un pack IGBT en Slcum Calculs des courans moyens e effcaces dans les sem-conduceurs : Fgure 39 - Formes d ondes des courans dans un bras d onduleur Sur cee courbe, nous voyons apparaîre le couran de référence en couleur rouge Le couran mesuré en sore de bras en couleur ver Le couran aux bornes d un IGBT, celu noé T, de couleur bleu Nous souhaons mere en équaon la valeur moyenne e effcace du couran raversan T Mse en équaon de la valeur moyenne du couran dans l IGBT T, < T > : Avec : < T > T T ϕ T ω T ϕ ω d T ϕ T ω ph ϕ ω α d A- 64 ω π f A- 65 Nous allons prendre pour hypohèse que la forme d onde du couran es snusoïdale : fond I ph maxsn ω ϕ ph A- 66 oc l expresson du rappor cyclque pour un onduleur monophasé : 73

119 a ω m sn α A- 67 So, après résoluon de l négrale, une valeur moyenne du couran dans l IGBT T, < T > pouvan s écrre : I < > ph max π T T ma cos ϕ π 4 A- 68 De la même façon, nous obenons la valeur moyenne du couran dans la dode D, < D > : I ph max π < D > T ma cos ϕ A- 69 π 4 Remarques sur le monage «méhode d opposon» : En supposan que la chue de enson aux bornes de la bobne es néglgeable avec α α, nous pouvons écrre que : < < maîre esclave T > T < T' > T < D > T < D' > T T > T < T ' > T < D > T < D ' > T oc un exemple de racé présenan le couran moyen noé <> en foncon du déphasage couran/enson aux bornes de l nducance d opposon noé ph : Fgure 40 - Exemple de racé présenan le couran moyen noé <> en foncon du déphasage couran/enson aux bornes de l nducance d opposon noé ph, avec m a 0,95 e I oppmax 00A Mse en équaon de la valeur effcace du couran dans l IGBT T, I eff T : I eff T T ϕ T ω ϕ T ω [ T ] d [ ph ] ϕ ω T ϕ ω α d A- 70 En ulsan la même méhode que pour les courans moyens, nous obenons : I ph max 8 I eff T ma cos ϕ A π De la même façon, nous obenons la valeur effcace du couran dans la dode D : I ph max 8 I eff D ma cos ϕ A π 74

120 Remarques sur le monage «méhode d opposon» : En supposan que la chue de enson aux bornes de la bobne es néglgeable pusque α α, nous pouvons écrre que : maîre eff T eff T' esclave I I I I eff T eff T ' eff D I I I I eff D eff D' eff D' Nous rerouvons les mêmes formes d ondes du couran effcace en foncon du déphasage couran/enson aux bornes de l nducance d opposon que celle pour le couran moyen présenées sur la Fgure 40 Manenan que nous avons les expressons des courans moyens e effcaces nous pouvons élser le comporemen de nore sem-conduceur en conducon Nous avons le èle équvalen du composan à l éa passan suvan : Fgure 4 - Modèle équvalen d un composan à l éa passan IGBT ou dode Nous pouvons donc effecuer le calcul de peres en conducon sachan que de façon générale : - Pour un ranssor IGBT : - Pour une dode : 6 P ˆ,Š qœ ŽŒ ZT* I Œ ZT*I Œ uu 6 "y,yhys T Ž Z š y Z š < S A- 73 A- 74 Les courbes suvanes du consruceur présenen les relevés de I f Ÿ pour l IGBT e I f pour la dode Ces courbes von nous permere de élser le composan duran sa conducon, en mesuran les Ž e r vor Fgure 4 Sur ces courbes, nous voyons apparaîre les lmes de cee élsaon, les courbes praques son souven assez élognées du èle Malgré ou, cee approche donne une bonne esmaon des peres en conducon Pour aller plus lon, l es possble de élser ces courbes avec des polynômes d ordre chos suvan la précson souhaée, mas cee approche n a pas éé reenue c Fgure 4 - Courbes exraes d un documen consruceur d IGBT permean de réalser les calculs des peres en conducon, Icfce pour l IGBT e Ifff pour la dode 75

121 D aure par, nous pouvons vor claremen que ces varables que son les réssances e les ensons de seul son fournes pour une empéraure de joncon données Nous pouvons donc à parr de deux relevés pour deux valeurs de empéraures de joncon dfférenes exprmer un coeffcen hermque, sous la forme généralsée suvane : CT x x T j x T j T T T A- 75 x j j j Avec : - CT x : coeffcen hermque pour la varable x - x : varable lée à la empéraure de joncon par le coeffcen hermque, dans nore cas, x correspond à une réssance en conducon ou une enson de seul T : empéraure de joncon - j T : empéraure de joncon - j - T T > : la empéraure de joncon es supéreure à la empéraure de j j joncon Par exemple : T j 5 C e T j 5 C Ans ces coeffcens hermques pourron êre ulsés pour exprmer une réssance de conducon ou une enson de seul à la empéraure de joncon désrée, avec la formule suvane : Avec : j désrée x T j ref CT T T x T - j désrée A- 76 x j désrée j ref T : empéraure de joncon désrée Par exemple : T 50 C - j ref j désrée T : empéraure de joncon de référence, connue Par exemple : T 5 C j ref - CT x : coeffcen hermque pour la varable x, calculé par exemple pour deux valeurs de empéraure de joncon, par exemple : T j 5 C e T j 5 C Manenan écrvons les peres en conducon moyenne, à l échelle de la fréquence ulane f : - Pour un ranssor IGBT : I ph max π I ph max 8 P cos cond, IGBT 0 T T j ma ϕ rd T T j ma cos ϕ A- 77 π π - Pour une dode : I ph max π I ph max 8 P cos cond, dode 0 D T j ma ϕ rd D T j ma cos ϕ A- 78 π π Ces équaons que nous avons écre pour un bras d onduleur consué de pack IGBT en Slcum von devor êre fées pour le cas de pack MOSFET en SC En effe, le composan MOSFET ne présene pas les mêmes caracérsques en conducon X3 Approche pour un pack MOSFET en Carbure de Slcum Le composan MOSFET ne présene pas les mêmes caracérsques en conducon que l IGBT en Slcum Tou d abord, le MOSFET ne présene pas de enson de seul 0 T Ensue, le MOSFET conraremen à l IGBT es bdreconnel en couran, ce qu fe les peres en conducon e la réparon de ces peres enre la dode e le MOSFET D aure par, pour l IGBT les courbes de conducon son élsées par des droes pusque la sauraon de ces composans nerven 76

122 seulemen à envron dx fos le couran nomnal dans le sens drec Or, le MOSFET commence à saurer à envron deux fos le couran nomnal e à condon d applquer la bonne enson de grlle snon la sauraon peu nervenr avan dans le sens drec e nverse du couran Pour oues ces rasons, les équaons des peres en conducon doven évoluer Dans une premère approche, nous consdérerons que nous resons dans la pare lnéare des caracérsques de conducon du MOSFET C es-à-dre, que nos équaons de peres en conducon seron valables que jusqu à envron deux fos le couran nomnal e avec une enson de grlle adéquae Nous consdérerons donc des caracérsques en conducon représenées par une réssance pour le sens drec du couran : r d T drec e par une réssance pour le sens nverse du couran : r d T nverse Mse en équaons des peres en conducon pour le pack MOSFET de manère générale : - Pour un ranssor MOSFET approche lnéare : P cond, MOSFET rd T drec T j I eff T drec rd T nverse T j Ieff T nverse A Pour une dode : même équaon que pour la dode en anparallèle de l IGBT, so l équaon A- 78 Les courbes suvanes du consruceur présenen les relevés de I f Ÿ pour le MOSFET e I f pour la dode Ces courbes von nous permere de élser le composan duran sa conducon, en mesuran les varables Ž, œ y e r vor Fgure 43 Fgure 43 - Courbes exraes du documen consruceur du pack MOSFET-SC POWEREX permean de réalser les calculs des peres en conducon c, consdéré lnéare jusqu à In avec v0 Manenan, nous devons calculer les nouveaux courans moyens e effcaces pour le MOSFET en enan compe de sa bdreconnalé en couran e des caracérsques en conducon vor auss pare sur caracérsaon en conducon du Chapre 4 Après avor comprs e dsngué les dfférens cas e hypohèses lés aux propréés bdreconnelles en couran du MOSFET-SC vor explcaon dans le Chapre 5, nous pouvons écrre la nouvelle expresson du couran effcace dans le MOSFET T, pour le sens drec e nverse du couran Pour le sens drec, nous avons l expresson du couran effcace I suvane : eff T drec 77

123 70 : I eff T T ϕ T ω [ ph ] ϕ ω α d A- 80 So le même couran effcace drec que pour un fonconnemen IGBT vor équaon A- eff T drec I ph max 8 ma cos ϕ 8 3 π I A- 8 Pour le sens nverse, nous avons l expresson du couran effcace I eff T nverse suvane : I eff T nverse T T T ϕ T ω ϕ T ω ϕ T ω ϕ T ω arcsn ω arcsn ω r arcsn ω r rd T T j I ph max [ ph ] α ϕ T ω ϕ T ω arcsn ω r 0 D T 0 D d T nverse 0 D d T nverse [ ph ] α 0 D d T nverse j T T T j T T I T j j j I j j I ph max d ph max ph max 0 D Tj ph rd D Tj r d T nverse Tj rd D Tj d α d A- 8 Après résoluons mahémaques de ces négrales, nous pouvons écrre l expresson du couran effcace dans le sens nverse de la manère suvane : Remarque : pour smplfer l écrure les varables qu évoluen en foncon de la empéraure ne seron plus sgnalées dans ceranes expressons mas elles resen nchangées T ϕ T ω rd T T j I ph max [ ph ] α 6 Z m cos3 Z ϕ 3cos Z ϕ 3cos Z ϕ 4cos ϕ 0 D a I arcsn ω ϕ T ω ph max 8 π r I INTEGRALE r 0 D T ph max 48 π d T nverse d T nverse j d INTEGRALE 0 D A

124 T INTEGRALE 4 π r 6 rd rd m ϕ 0 D T j T arcsn ω ω rd T nverse T j I ph max 4 r r r r 6 Z 3 π r I m cos ϕ r I cos ϕ r ϕ T 0 D T j arcsn ω ω rd T nverse T j I ph max D 0 D T nverse a d T nverse 0 D d D I d T nverse d D d D ph max 0 D T ph rd D T rd T nverse T rd D T j I ph max d T nverse ph max a r d T nverse 0 D d D rd D I ph cos3 Z 3 cos Z j j j max α d INTEGRALE 0 D d D 4 3 r I 0 D 0 D ph max sn Z d D ph max A- 84 T [ ph ] α 6 Z m cos3 Z ϕ 3cos Z ϕ 3cos Z ϕ 4cos ϕ 0 D ϕ T ω a I arcsn ω r ph max 8 π r ϕ T ω I INTEGRALE 3 d T nverse r 0 D ph T T max 48 π d T nverse d T nverse j j I ph max 0 D d INTEGRALE 3 A- 85 Avec : E : arcsn r 0 D Z A- 86 d T nverse I ph max cos r d T nverse ph max 0 D Z A- 87 So le couran effcace dans le sens nverse pouvan s écrre : I 79

125 I INTEGRALE INTEGRALE INTEGRALE 3 A- 88 eff T nverse Nous pouvons manenan exprmer les peres en conducon moyenne pour le MOSFET T, à l échelle de la fréquence ulane f : - Pour le sens drec du couran : I ph max 8 P cond drec, MOSFET rd T drec T j ma cos ϕ A π - Pour le sens nverse : P r INTEGRALE INTEGRALE INTEGRALE3 cond nverse, MOSFET d T nverse A- 90 Pour la dode, les peres en conducon von êre dmnuées par rappor au fonconnemen avec des IGBT undreconnels en couran En effe, nous avons vu qu une pare du couran qu passé dans la dode éa désormas répare enre le MOSFET e sa dode anparallèle Nous pouvons donc mere en équaon de la valeur moyenne du couran dans la dode D, < > : < T T > T ϕ 0 D T j T arcsn ω ω rd T nverse T j I ph max 0 D Tj ph rd T nverse Tj α d A- 9 r d D Tj rd T nverse Tj T T ϕ T 0 D T j arcsn ω ω rd T nverse T j I ph max Après résoluon de l négrale, nous pouvons écrre l expresson du couran moyen dans la dode D, < > : T T < T > I I 8 ph max ph max 0 D T r r π Z m r r d D d T nverse d T nverse a m d T nverse a 0 D cos ϕ cos Zcos ϕ Z sn Z π π A- 9 Avec : Z correspondan à l équaon A- 86 E : cos Z correspondan à l équaon A- 87 Nous pouvons donc mere en équaon de la valeur effcace du couran dans la dode D, I : eff D I ph r r d rd T ϕ 0 D T j T arcsn ω ω rd T nverse T j I ph max d eff D T ϕ T 0 D T j arcsn ω ω rd T nverse T j I ph max 0 D Tj T nverse Tj D Tj nverse Tj α d A

126 Après résoluon de l négrale, nous pouvons écrre l expresson du couran effcace dans la dode D, I eff D : I eff D 3 I ph 4 I 4 I ph 4 0 π ph max D r r max d D r max d T nverse r m r a d T nverse d T nverse π Z macos Zcos ϕ m cos ϕ 9 cos Z cos3 Z 3 Z π d T nverse 0 D a 0 D 0 D cos ϕ Z sn Z π A- 94 Avec : Z correspondan à l équaon A- 86 E : cosz correspondan à l équaon A- 87 Nous pouvons écrre l expresson des peres en conducon moyenne dans la dode D, à l échelle de la fréquence ulane f : P cond, dode I I 8 r d D 3 I 4 I 4 I D ph max ph max π ph ph max 0 D r r Z m ph max 0 D π r r r r d D r max d T nverse m d T nverse r r Z m d D m cos ϕ cos Zcos ϕ d T nverse a a d T nverse d T nverse Z sn Z π m cos ϕ 9 cos Z cos3 Z 3 Z π d T nverse a a d T nverse 0 D cos Zcos ϕ 0 D a 0 D π 0 D cos ϕ π Z sn Z π A- 95 Avec : Z correspondan à l équaon A- 86 E : cosz correspondan à l équaon A- 8

127 X33 Impac de l njecon d harmonque 3 sur les peres en conducon Dans un fonconnemen onduleur rphasé, l peu êre néressan d njecer de l harmonque 3 sur la enson de référence afn d une par d élmner l harmonque 3 présene sur le couran de sore, e d aure par de repousser les lmes de la profondeur de ulaon au-delà de S l amplude de la référence fondamenale es de, celle de la référence de l harmonque 3 es de /6 Dans ces condons, les équaons permean d esmer les peres en conducon von êre fées Ces fcaons se suen au nveau des équaons des courans effcaces dans le ranssor e la dode qu von évoluer pour enr compe de cee nouvelle enson de référence oc l mpac de cee njecon de /6 de H3 sur les équaons des peres en conducon du ranssor IGBT : So, une valeur effcace du couran dans l IGBT T, Ieff T pouvan s écrre : I ph max 6 I eff T ma cos ϕ A π De la même façon, nous obenons la valeur effcace du couran dans la dode D : I ph max 6 I eff D ma cos ϕ A π Manenan écrvons les peres en conducon moyenne, à l échelle de la fréquence ulane f : - Pour un ranssor IGBT : P cond I ph max π I ph max 6 cos, IGBT 0 T T j ma ϕ rd T T j ma cos ϕ π π A Pour une dode : P cond I ph max π I ph max 6 cos, dode 0 D T j ma ϕ rd D T j ma cos ϕ π π A- 99 X4 Les peres par commuaon X4 Approche pour un pack IGBT en Slcum Pour calculer ces peres par commuaon nous allons ulser les relevés fournes par le consruceur ou obenus par des mesures avec le monage «double pulse» Ensue, nous allons fare une approxmaon de ces courbes par un polynôme d un ordre chos En général, le chox de l ordre du polynôme se fa par apprécaon de l ordre de grandeurs des coeffcens Dans nore cas, nous allons respecer les chox de coeffcens fa par ALSTOM pour les composans IGBT Pour la mse à ON e la mse à OFF du ranssor, nous allons avor un ordre 3 e pour le blocage de la dode REC un ordre 5 Ensue, sue à nos relevés praques e par chox, nous allons êre amenés à mere des coeffcens à zéro pour dmnuer l ordre du polynôme D aure par, l es bon de rappeler qu à couran nul, en héore, nous n avons pas de peres en commuaon donc la consane de l expresson polynomale n exse pas physquemen Elle peu néanmons êre ulsée afn de respecer au meux les relevés sur la plage de couran mesurée e une suresmaon des peres sera fae pour les courans proches de zéro Dans nore cas, ALSTOM ulse une aure équaon polynomale permean de fare passer la courbe par zéro oc un exemple présenan les deux ypes d équaons polynomales que nous pouvons ulser pour approcher nos relevés de commuaon : 8

128 QJD C - Rgon Rgoff, Ohms,8 Energe mj,6,4, 0,8 0,6 0,4 0, y -6E-08x 3 6E-05x - 0,0049x 0,4836 R 0,9887 y 3E-07x 3-9E-05x 0,03x R 0, Couran A Eoff600 équaon polynomale "classque" équaon polynomale ALSTOM Fgure 44 - Exemple de relevés d énerge de commuaon en foncon du couran avec ulsaon de deux ypes d équaons polynomales Nous pouvons donc écrre les équaons polynomales, pour des énerges de commuaon nsananées, pour une enson donnée e une empéraure de joncon T j donnée : E E E bus 3 a b c A- 00 ON ON ON ON 3 a b c A- 0 OFF OFF OFF OFF a b c d e A- 0 REC REC REC REC REC Ensue, nous allons êre amenés à effecuer des mesures d énerges à dfférenes ensons Afn de normalser la mse en équaon pour pluseurs enson de bus, nous allons consdérer les équaons des énerges de commuaon nsananées suvanes pour une empéraure de joncon donnée T : j REC E E REC REC E E E E OFF OFF ON ON bus bus ref 3 a b c ON ref ON ref α ON ' ' ' 3 a b c bus bus ref bus ref α ON ON ON ON ON ref 3 a b c OFF ref OFF ref α OFF ' ' ' 3 a b c bus bus α OFF OFF OFF OFF OFF ref a b c d e REC ref REC ref REC ref REC ref α REC ' ' ' 3 ' 4 ' 5 a b c d e bus bus α REC REC REC REC REC REC REC ref A- 03 A- 04 A

129 Avec : n ' ON ref OFF ref REC ref n ON ref OFF ref REC ref bus ref α ON OFF REC A- 06 n [ a; b; c; d; e] Ecrvons les peres par commuaon dans l nerrupeur T e D à l échelle de la fréquence de la ulane f : P ONT f d ϕ T ω α ON ' ' ' 3 bus aon ph bon ph con ph T ϕ ω d A- 07 P OFF T f d ϕ T ω α OFF ' ' ' 3 bus aoff ph boff ph coff ph T ϕ ω d A- 08 P REC ϕ T ω ' ' ' 3 ' 4 ' 5 arec ph brec ph crec ph d REC ph erec ph ϕ T ω T f d bus α REC T d A- 09 Avec : ω π f A- 0 E en consdéran le fondamenal snusoïdal du couran phase : sous la forme de l équaon A- 69 Nous obenons donc après calculs des négrales : P f α a ' ON I ph max π ' b I 4 c ' ON I 3 ph fond max 3 π ON ph max ph ON T d bus ON A- ' a π I 4 I max 3 π 3 α I OFF ph max ' ph max ' ph OFF f b c T d bus OFF OFF OFF A- P 84

130 P RECT ' a REC I f π d ph max α bus ' b REC REC I ph max 4 ' c REC I 3 max d 3 π ph ' REC I 4 ph 3 max ' e 6 REC 5 I 8 ph max 5 π A- 3 X4 Approche pour un pack MOSFET en Carbure de Slcum Le composan MOSFET ne présene pas les mêmes caracérsques en conducon que l IGBT en Slcum «classque», nous avons vu cela lors de la mse en équaons des peres en conducon du MOSFET Nous devons donc calculer les nouvelles équaons des peres en commuaon en enan compe de la bdreconnalé en couran du MOSFET e de ces caracérsques en conducon que nous avons vues Ecrvons les peres par commuaon pour le MOSFET à l échelle de la fréquence de la ulane f : P ON T T T T T ϕ T ω ' ' ' 3 aon ph bon ph con ph ϕ T ω ϕ T ω ϕ T ω ϕ ω f d ϕ T ω bus α ON arcsn ω r arcsn ω r arcsn ω r ϕ T ω arcsn ω r d T j ph max ' ' ' 3 aon ph bon ph con ph ϕ T ω d T j ph max ' ' ' 3 aon T rp bon T rp con T rp d T ' ' ' 3 aon ph bon ph con ph d T 0 D T I 0 D T I 0 D T I 0 D T I j j T T T ph max T j j j j ph max d d d d A- 4 Remarque : dans oues ces expressons, l ndce «ON» qu peu êre remplacé par «OFF» l s ag des mêmes expressons pour les peres en commuaon du MOSFET Cee expresson peu êre décomposée afn de séparer les peres en commuaon correspond au couran drec e les peres en commuaon correspond au couran nverse dans le MOSFET T Pour le sens drec, nous avons l expresson des peres en commuaon à l échelle de la fréquence de la ulane f : P ON drect f d ϕ T ω α ON ' ' ' 3 bus aon ph bon ph con ph T ϕ ω d A- 5 85

131 P So les mêmes peres en commuaon P que pour un fonconnemen IGBT : a π ON drect I 4 I max 3 π 3 α I ON ' ph max ' ph max ' ph ON drec f d bus ON bon con A- 6 T Pour le sens nverse, nous avons l expresson des peres en commuaon à l échelle de la fréquence de la ulane f : P ON nverse T T T T ϕ T ω ϕ T ω ϕ T ω ϕ T ω arcsn ω r f d arcsn ω r arcsn ω r d T j ph max ' ' ' 3 aon ph bon ph con ph ϕ T ω ϕ T ω arcsn ω r bus 0 D T I d T j ph max ' ' ' 3 aon T rp bon T rp con T rp d T ' ' ' 3 aon ph bon ph con ph d T 0 D T I 0 D T α T 0 D T T I T I j j ON j j ph max T j j ph max d d d A- 7 Les peres par commuaon pour le blocage de la dode D, à l échelle de la fréquence de la ulane f peuven s écrre : P REC ϕ T ω ϕ T ω T f d arcsn ω r arcsn ω r d T d T 0 D T I bus j 0 D T I j T j ph max T j α REC ph max T ' a d REC ' REC D rp D rp b 4 ' REC e D rp ' REC D rp c 5 ' REC D rp 3 d A- 8 Comme nous pouvons le consaer ces expressons de peres en commuaon son assez complexes à écrre de manère analyque Mas l es mporan de comprendre que les peres en commuaons lorsque le couran es dans le sens nverse son beaucoup plus fable vore néglgeable par rappor à celle dans le sens de couran drec En rasonnan oujours sur l nerrupeur du hau du bras de commuaon avec les mêmes convenons que précédemmen En conducon, dans la phase de couran nverse, «classquemen» la dode D condu, mas nous avons vu dans un graphe à l échelle de la fréquence ulane que pour un composan MOSFET-SC bdreconnel en couran, l exse 3 phases de conducon : une phase où T seul condu pus une phase où T e D condusen e une phase où T seul condu En commuaon, oujours dans la phase de couran nverse, nous devons rasonner à l échelle de la commuaon où nous avons les emps mors qu permeen à la dode D de condure avan d amorcer le ranssor T sur une enson correspondane à la chue de enson de la dode D en conducon, 86

132 pus le bocage de T se fera en éablssan une enson correspondane à la chue de enson de la dode D en conducon qu reprend le relas Ces commuaons se fon donc sous enson rédue correspondane à la chue de enson de la dode D en conducon ce qu perme pour la plupar des cas de les consdérer néglgeables par rappor aux commuaons qu se fon sous la enson de bus lors des phases de couran posf Cee hypohèse qu vse à néglger les peres en commuaons dans les phases de couran nverse a pu êre vérfée par des essas praques avec le banc d essa présené au Chapre 4 Annexe XI : Descrpfs en mages de l ensemble du banc d essa ms en œuvre pour caracérser les sem-conduceurs Fgure 45 - Plan nal de l mplanaon du maérel dans le Box d essa 87

133 Fgure 46 - Images présenan une descrpon du banc d essa ms en œuvre Fgure 47 - Images présenan l néreur de la boucle de refrodssemen 88

134 Fgure 48 - Images présenan une descrpon de la pare pon en H du banc d essa c, dans une premère confguraon permean de eser des packs MOSFET-SC POWEREX Fgure 49 - Images présenan une descrpon de la pare pon en H du banc d essa c, dans une premère confguraon permean de eser des packs MOSFET-SC ROHM ou IGBT-S F00RMT4 89

135 Fgure 50 - Images présenan une descrpon de la pare pon en H du banc d essa c, dans une premère confguraon permean de eser des packs MOSFET-SC ROHM ou IGBT-S F00RMT4 Fgure 5 - Images présenan une descrpon de la bae de commande Fgure 5 - Phoos présenan les corps de chauffe e les carouches chauffanes 90