Estimation de Durée de Vie Restante de Modules de Puissance en Fonctionnement dans des Convertisseurs Industriels

Remaining Lifetime estimation of power modules during operation in industrial converters

• Auteur / Autrice : Merouane Ouhab
• Direction : Zoubir Khatir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 01/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoubir Khatir, Eric Labouré, Patrick Tounsi, Bruno Allard, Ali Ibrahim, Radoslava Mitova, Miao-Xin Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Tounsi, Bruno Allard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Modules de puissance (électronique)

Électronique de puissance

Mots clés libres

Durée de vie

Module de puissance

Électronique de puissance

Lifetime

Power module

Power electronic

Résumé

Le variateur de vitesse est l’un des convertisseurs de puissance le plus utilisé en industrie ; il alimente les pompes, les ventilateurs, les convoyeurs, les ascenseurs …etc. Dans ces systèmes de conversion, les modules de puissance intégrants des composants IGBT représentent la partie cœur de conversion de l’énergie électrique AC/AC. En fonctionnement, ils sont sujets à des conditions fonctionnelles et environnementales sévères (cycles de température, humidité, vibrations …etc.). En raison de la puissance dissipée au niveau de leurs composants (IGBTs et diodes), le module subit des déformations d’origine thermomécanique, qui s’accumulent au fil du temps en limitant sa durée de vie et en impactant sur sa fiabilité. Dès lors, les industriels se trouvent non seulement face au développement des composants robustes et fiables, mais surtout être capable à élaborer des outils permettant la programmation des phases de maintenance. Dans cette thématique s’inscrivent les travaux de cette thèse. Durant laquelle nous essayons de répondre à ce besoin, en proposant une méthodologie de prédiction de durée de vie restante d’un module de puissance intégré au sein d’un variateur de vitesse de 15kW. En effet, nous développons un modèle de durée de vie restante nécessitant une modélisation électrothermique du système, un algorithme de comptage de cycles de température appelé le Rainflow et une loi de durée de vie obtenue à partir des tests de vieillissement. Le paramètre de durée de vie est ensuite calculé en appliquant la règle de Miner. Enfin nous proposons des stratégies de prise en compte de l’effet de dégradation pour ce modèle.

The motor drive is one of the most used power converters in industry; it drives pumps, fans, conveyers, elevators …etc. In this conversion systems, power modules integrating IGBT devices represent the core part in the AC/AC electrical energy conversion. During operation, they are subjected to severe functional and environmental conditions (temperature cycles, humidity, vibrations …etc.). Due to the dissipated power at the level of their devices (IGBTs and diodes), the module undergoes deformations of a thermomechanical origin, which accumulate over time limiting its lifetime and impacting on its reliability. Therefore, manufacturers are not faced only with the development of robust and reliable components, but above all they need to be able to develop tools for maintenance phases scheduling. In this scope, the thesis work is focused. During it, we try to bring a solution to this need, so we propose a remaining lifetime prediction methodology for an integrated power module inside a 15kW motor drive.Therefore, we develop a remaining lifetime model that requires an electrothermal modeling of the system, a temperature cycles counting algorithm called by the Rainflow and a lifetime law obtained from the aging tests. The lifetime parameter is then calculated by applying the Miner’s rule. Finally, we propose strategies to take into account the degradation effect on this model.