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Sûreté de fonctionnement des convertisseurs - Nouvelles structures de redondances pour onduleurs sécurisés à tolérance de pannes

Dou, Zhifeng. Sûreté de fonctionnement des convertisseurs - Nouvelles structures de redondances pour onduleurs sécurisés à tolérance de pannes. PhD, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2011

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Official URL: http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00001718/

Abstract

Au sein d'un convertisseur la défaillance d'un composant de puissance est un événement critique tant par le risque d'explosion du boitier et sa propagation au sein du système (forte énergie stockée dans l'alimentation) que par l'interruption de service qui en découle (systèmes embarqués, systèmes de production en flux tendu). Ce mémoire de thèse propose un ensemble de solutions nouvelles portant sur la problématique de l'isolement ultime de défauts "derniers secours" d'une part, et sur la connexion "automatique" et à faible "coût" d'un circuit en secours. L'objectif de cette approche globale est de concilier "sécurité électrique absolue" et "continuité de service" pour les systèmes de conversion sensibles devant être intégrés au coeur des applications critiques. Le premier chapitre et son annexe permettent de rappeler les causes et les conséquences des défauts internes au sein d'une structure de base d'onduleur à deux niveaux de tension, laquelle fait l'objet de nombreuses simulations de modes dégradés en configuration variateur de vitesse sur machine synchrone. De cette analyse il ressort qu'une structure d'isolement symétrique à deux voies couplées, placées sur les pôles du bus DC, à déclenchement spontané (fusible) et/ou commande (rupteur), est à même de sécuriser toutes les mailles du circuit, de façon modulaire et non intrusive. En exploitant la propriété du premier mode de défaillance d'une puce de puissance dans un état très faiblement ohmique, nous proposons une nouvelle structure de couplage à aiguillage à diodes permettant, à l'inverse des solutions actuelles, de réaliser un lien de connexion automatique "en série" et à travers la conduction même des composants défaillants. Nous montrons ainsi qu'une seule redondance passive parallèle peut être mutualisée et secourir indifféremment un nombre quelconque de phases. Ce concept est ensuite décliné en plusieurs variantes, avec auxiliaire de déclenchement, en version hacheur et onduleur à trois niveaux de tension. Le deuxième chapitre propose une démarche de conception et de test d'une série de prototypes de rupteurs – fusibles, réalisés et complètement intégrés par le biais des technologies de type PCB (Printed Circuit Board) et l'apport d'un matériau énergétique. Les conceptions mécanique, électrique et pyrotechnique sont présentées assorties de résultats de test intermédiaires. De cet ensemble de travaux il ressort que la technologie PCB1 prépreg combinée à l'insertion d'un matériau énergétique enfouis au sein d'une chambre de combustion et initié par des plateformes chauffantes CMS, semble prometteuse de par les résultats intermédiaires obtenus, son faible coût technologique et son fort potentiel d'intégrabilité sur carte de puissance. Le troisième chapitre présente des caractérisations de résistance apparente de puces défaillantes en régime de court-circuit, de manière comparée entre les technologies d’encapsulants époxy et gel silicone et dans des conditions de court-circuit de faible énergie, de faible I2Tp, par l'insertion de "dual-fuses" rapides conformément au concept propose. Des nombreux résultats expérimentaux nous retenons d'une part, les bénéfices d'un encapsulant massif et rigide permettant de durcir l'attache des pieds de bonding et ainsi de bénéficier d'une faible valeur de résistance de court-circuit stable dans le temps et d'autre part, la propriété de redondance parallèle des fils de bonding réalisée par le plan de métal et les pads équipotentiels. Des perspectives technologiques prometteuses sont également proposées au niveau de la structure et de la technologie des interconnexions visant à fonctionnaliser cette région à des fins de sécurité électrique. Le quatrième et dernier chapitre présente la mise en oeuvre des concepts, des dispositifs d'isolement et de connexion secours sur une maquette d'onduleur de tension DC 350V / AC 50A mettant en jeu différentes technologies d'isolement ("dual-fuses" miniaturises, CMS, PCB passive réalisé au laboratoire) et l'évaluation du dispositif de couplage – aiguillage à diodes d'un bras en redondance parallèle. Un détecteur local et rapide de défaut couple à un superviseur numérique permet d'ordonnancer les étapes d'isolement et de commutation du mode "normal – secours" en quelques dizaines de microsecondes. Les résultats obtenus, même sur un cas d'étude particulier, sont globalement très positifs et nous retiendrons entre autres la nécessité de développer une technologie de fusibles à forte dynamique d'isolement (régime de recouvrement rapide d'impédance postarc) permettant un mode de reprise à minimum de temps mort.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution: Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT
Laboratory name:
Research Director:
Richardeau, Frédéric and Sarraute, Emmanuel
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Deposited By: admin admin
Deposited On:21 Nov 2012 12:18

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