Méthodologie de conception numérique d'un module de puissance dédié à l'automobile en vue de l'optimisation des surtensions, des pertes et des émissions conduites

Methodology of numerical design of a power module dedicated to the automobile with optimizing overvoltages, losses and conducted emissions

• Auteur / Autrice : Hocine Daou
• Direction : François Costa, Mickaël Petit, Eric Labouré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 08/02/2018
• 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 : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Bidan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Costa, Mickaël Petit, Eric Labouré, Pierre Bidan, Nicolas Ginot, Stéphane Azzopardi, Paul-Etienne Vidal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Ginot, Stéphane Azzopardi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Véhicules électriques

Modules de puissance (électronique)

Mots clés libres

Module de puissance pour l'automobile

Inductances parasites

Découplage intégré

Surtension

Pertes par commutation et rendement

Optimisation par algorithmes génétiques

Automotive power inverter

Stray inductance

Voltage spike and losses

Embedding capacitors

Genetic algorithmes

Résumé

Le véhicule électrique (VE) s'inscrit actuellement dans un contexte industriel fortement corrélé aux contraintes environnementales. Un tel contexte où la minimisation des coûts est également vitale impose par conséquent des contraintes de développement et de réalisation. Les modules de puissance constituent un coût conséquent dans un système de conversion pour l'automobile. Nous nous plaçons dans le contexte des modules de puissance à IGBT en technologie silicium qui assurent les fonctions de conversion d’énergie (AC/DC ou DC/AC) pour des applications moyennes et fortes puissances. L’un des points les plus limitant de ces modules est l’aspect inductif de la maille de commutation. L’intégration de condensateurs de découplage (Ceq) au sein du module permet de réduire les effets des inductances parasites car ils offrent un chemin à basse impédance au courant commuté et augmentent la vitesse de commutation du composant. C’est cette solution que nous avons étudiée. Le but est de démontrer la faisabilité d’une telle solution couplée avec le choix optimal de la résistance de grille (Rg) des puces IGBT. Nous avons établi des règles de conception permettant la construction de modèles circuit d’un bras d’onduleur permettant l’intégration de fonction de découplage. Ce dernier nous a permis dans un premier temps de réduire les surtensions aux bornes des composants mais les pertes par commutation n’ont pas pu être améliorées significativement en comparaison à un module conventionnel. La démarche suivie pour aller plus loin a consisté à chercher un compromis entre les valeurs des condensateurs distribués dans le module et le choix des résistances de grille des puces IGBT. L’optimisation par algorithmes génétiques est la solution qui a été trouvée pour contourner les problèmes bloquants et améliorer significativement les performances du module.

Modern converter concepts demand increasing energy efficiency and flexibility in de-sign and construction. Considering that the dependency of the switching losses on various factors such as the switching voltage, switching current, stray inductance (Lstray) and the reverse recovery process of the freewheeling diode, various concepts have been developed to decrease power modules stray inductance for the purpose of loss reduction but with risk of exceeding the maximum rated blocking voltage. However, considering practical design requirement, lower stray inductance is not necessarily beneficial for the system. This leads to the question of tolerable size of parasitic inductance and best dI/di and dv/dt rate for low commutation losses and low voltage spikes. In this thesis, design methodology for a low inductive, Modern converter concepts demand increasing energy efficiency and flexibility in de-sign and construction. Considering that the dependency of the switching losses on various factors such as the switching voltage, switching current, stray inductance (Lstray) and the reverse recovery process of the freewheeling diode, various concepts have been developed to decrease power modules stray inductance for the purpose of loss reduction but with risk of exceeding the maximum rated blocking voltage. However, considering practical design requirement, lower stray inductance is not necessarily beneficial for the system. This leads to the question of tolerable size of parasitic inductance and best dI/di and dv/dt rate for low commutation losses and low voltage spikes. In this thesis, design methodology for a low inductive,