Contribution à la modélisation thermique des convertisseurs statiques de puissance électrique

Introduction

L’évolution des systèmes embarqués vers des solutions plus électriques, plus compactes et plus complexes, augmente les niveaux de puissances électriques mises en jeu ainsi que la quantité de composants électroniques. De plus, l’environnement thermique de tels systèmes est généralement critique pour les composants électroniques tant sur la multiplicité des contraintes (température, humidité, etc.) que sur leurs amplitudes ou leurs variations (variations de la température, de la pression et de l’humidité avec l’altitude par exemple). C’est pourquoi la modélisation thermique des composants électroniques devient de plus en plus importante pour la conception de systèmes plus électriques (Louahlia and Yon, 2015). Dans cette thèse nous nous sommes intéressés à la modélisation de convertisseurs statiques utilisés dans le cadre d’applications aéronautiques. L’électronique de puissance est au cœur des nouvelles fonctions et avancées technologiques réalisées pour le développement de l’avion plus électrique (Langlois and Foch, 2005). Dans le cadre de ces travaux, nous avons étudié un convertisseur de type DC/DC qui emploie des composants électroniques sensibles à la thermique et génériques à différents types de convertisseurs. Dans la suite de cette introduction, nous présenterons l’architecture et les différents composants du convertisseur de puissance étudié. Ensuite, les besoins en modèles pour chaque composant seront introduits et nous présenterons un état de l’art correspondant à ces besoins dans le cadre du dimensionnement du convertisseur de puissance. 

Architecture et composants d’un convertisseur de type DC/DC

Le convertisseur de type DC/DC étudié est basé sur un prototype développé par la société ARCEL dont l’architecture est schématisée en Figure V.1. Figure V.1 : Convertisseur de puissance DC/DC (prototype ARCEL) et architecture du convertisseur La fonction principale du convertisseur est de convertir une tension continue ܧ du réseau électrique en une tension continue ܷு de plus faible valeur pour gérer la charge et décharge d’une supercapacité par exemple. Pour réaliser cette fonction, le convertisseur est composé de composants électroniques assurant différentes sous-fonctions : · Un condensateur ܥ qui est utilisé pour limiter l’amplitude des ondulations de tension. · Deux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) qui sont utilisés en tant qu’interrupteurs électroniques (݇ଵ et ݇ଶ). · Une inductance ܮ qui est utilisée pour limiter l’amplitude des ondulations de courant. Chapitre V – Contribution à la modélisation thermique des convertisseurs de puissances électriques Page 168 Condensateur à film Module IGBT Inductance Figure V.2 : Composants du convertisseur DC/DC étudié Le principe de fonctionnement du convertisseur de puissance peut être divisé en différentes phases dépendant de l’état des deux interrupteurs 1 et 2. Dans le cas d’une charge de la supercapacité : · L‘interrupteur 1 est passant, l’interrupteur 2 est ouvert, l’inductance et la supercapacité sont connectés au condensateur ܥ. La supercapacité voit son courant de charge augmenté. A l’échelle temporelle de la commutation on peut supposer que sa tension reste constante. · L‘interrupteur 1 est maintenant ouvert, la diode associée à l’interrupteur 2 devient passante pour maintenir une continuité du courant dans l’inductance. Le courant traversant l’inductance décroît. La Figure V.3 décrit l’évolution dans le temps du courant dans l’inductance et de la tension de sortie du hacheur en fonction des différents états décrits précédemment. Les valeurs du courant moyen et de la tension moyenne dépendent des durées d’ouverture et de fermeture des interrupteurs ݇ଵ et ݇ଶ. 

Caractéristiques dimensionnantes des composants et besoins en modèles

Condensateur Le condensateur a pour fonction de limiter l’amplitude des ondulations de tension et pour cela il doit pouvoir stocker l’énergie électrique. La valeur de la capacité ܥ d’un condensateur définit son aptitude  à stocker cette énergie électrique. Cette caractéristique dépend du type de condensateur utilisé ainsi que de ses dimensions géométriques. Dans ces travaux, il sera considéré des condensateurs à films de géométrie cylindrique. La sélection d’un condensateur repose sur la valeur de sa capacité et sur son aptitude à dissiper les pertes générées. De plus, la durée de vie d’un condensateur à film est fortement dépendante de son comportement thermique (Parler, 1999). Il est donc nécessaire de disposer d’un modèle permettant l’estimation de sa résistance thermique équivalente afin de sélectionner le condensateur à film ayant une durée de vie optimale pour une application considérée.

Module IGBT

Les modules IGBT sont utilisés comme des interrupteurs électroniques qui vont permettre d’assurer la fonction principale du convertisseur de puissance : la conversion de la tension d’entrée en un niveau de tension plus faible. La sélection d’un module IGBT est faite à partir des niveaux de tension mis en jeu et de son calibre en courant afin de ne pas dépasser une température silicium maximale (entre 120 et 150 °C selon les technologies) de la puce transistor ou de la diode. Ces températures sont fonction des pertes en conduction et en commutation et donc de la fréquence de modulation de largeur d’impulsion. Dans le cadre de cette thèse, nous avons sélectionné un modèle d’IGBT de référence afin d’établir des lois d’échelle pour estimer l’ensemble des caractéristiques nécessaires au calcul de ces critères. L’utilisation d’un module IGBT génère des niveaux de pertes importants et un refroidissement passif n’est souvent pas suffisant pour dissiper la chaleur générée. On fait généralement appel à des systèmes de refroidissement actif tels que des dissipateurs thermiques de différentes technologies que nous détailleront dans la section V.1.3.4. La sélection d’un module de puissance est ainsi fortement liée au dimensionnement du système de refroidissement.

Inductance

L’inductance a pour fonction de limiter l’amplitude des ondulations de courant et pour cela elle doit pouvoir stocker l’énergie sous forme magnétique. L’expression de l’énergie stockée dans une inductance est donnée par l’équation suivante :Le terme ܮ݅ exprime le flux magnétique vu par l’inductance et peut être réécrit sous la forme donnée par l’équation (V.3). Le courant ݅ peut s’exprimer à partir de la densité de courant ܬ et des caractéristiques du bobinage de l’inductance. (V.3) avec ݊ le nombre de spires du bobinage, la section de fer dans le circuit magnétique, ܤ le champ magnétique,  le coefficient de bobinage traduisant la proportion de cuivre et   la section du bobinage.