Développement de modèles et de méthodes de calculs électriques et thermiques appliqués aux onduleurs à IGBT

Developpement of electrical and thermal models and calculation methods applied for igbt power inverter

• Auteur / Autrice : Joe Antonios
• Direction : Mohamed Machmoum, Yves Scudeller, Nicolas Ginot, Christophe Batard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : École polytechnique universitaire de Nantes Université

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur la modélisation électrique et thermique des onduleurs à base d’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Afin de concevoir les meilleurs systèmes de refroidissement, et sans surdimensionnement, un calcul précis des pertes doit être réalisé et un modèle thermique doit être développé menant à une bonne prédiction de la température. Les travaux réalisés et présentés dans ce rapport sont orientés vers les applications où les fréquences électriques sont très faibles. Dans de telles situations la variation instantanée de la température de jonction est importante, et le calcul doit tenir compte de l’évolution temporelle. Une approche de calcul des pertes a été proposée qui combine à la fois la simplification des profils du courant et tension mais qui produit en même temps un signal de pertes suffisamment détaillé. Du point de vue thermique, un réseau tri-directionnel RC-3D a été développé. Ce modèle est basé sur des paramètres physiques constituant le module, et tient compte de la diffusion verticale de la chaleur dans le module ainsi que la diffusion latérale. En outre, ce réseau thermique permet de représenter les variations de température sur deux domaines temporels différents (nanosecondes et secondes), qui ont lieu dans la jonction ainsi que dans l’assemblage. Les résultats obtenus par simulation sur Matlab/Simulink ont été validés par des mesures expérimentales. Enfin, un exemple succinct d’exploitation du modèle électrothermique correspondant à un cycle de démarrage d’un véhicule électrique a été simulé. L’échauffement du module IGBT est évalué dans le cadre de cette application

This work focuses on the electrical and thermal modeling of IGBT-based power inverters (Insulated Gate Bipolar Transistor). In order to design the best cooling systems without overestimating the size of the heat sink, a precise calculation of electrical losses must be achieved and a thermal model must be developed leading to a good prediction of the junction temperature. The work presented in this report is oriented toward applications at very low frequencies. In such situations the junction temperature variation is important, and the calculation must be as a function of time. Regarding the losses determination, an approach was proposed using simple current and voltage profiles and at the same time producing a sufficiently detailed signal losses. For the thermal part, a three-dimensional network RC-3D was developed. This model is based on physical parameters of the module and takes into account the vertical and the lateral heat diffusion in the module. In addition, this network allows representing the temperature changes on two different time domains (nanoseconds and seconds), taking place in the junction and in the assembly. Results obtained by simulation using Matlab/Simulink were validated by experimental measurements. Finally, a brief example of how the electro-thermal model can be used is presented. It corresponds to a cycle of an electric vehicle from the startup till a predefined steady state. This application allows determining how the IGBT module is heating up