Étude des contraintes électromagnétiques induites par les composants SIC d'une chaîne de conversion d'énergie en vue d'une optimisation pour des applications HF.

Study on CEM constraints due by SiC components in order to optimize & characterize in HF

• Auteur / Autrice : Jean-Marie Larbaig
• Direction : Robert Ruscassie, Jean-Marc Diénot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 08/03/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique / SIAME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Ruscassie, Laurent Berquez, Nicolas Ginot, Geneviève Duchamp, Jose Ioav Ramos Chavez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Berquez, Nicolas Ginot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Carbure de silicium

Mots clés libres

Carbure de silicium

Composants à grand gap

Electronique de puissance

SoC-FPGA

JESD204B

Acquisition haute vitesse

Vieillissement des matériaux diélectrique

SoC FPGA

Silicon carbide

Power electronics

JESD204B

Wide bandgap component

Insulation material aging

Résumé

Les importantes avancées technologiques de ces dernières années dans le domaine des générateurs à base de composants SiC (Carbure de Silicium) permettent aujourd’hui d’envisager des applications d’alimentation haute puissance avec de meilleures performances : commutations rapides, pilotage à fréquence élevée, rendements et gestion thermiques améliorés et ceci avec des capacités d'intégration beaucoup plus compactes. Cependant, ces nouvelles formes d’alimentation engendrent parallèlement de nouveaux problèmes complexes vis-à-vis du système dans lequel elles sont insérées, et ce, en plus des charges qu’elles alimentent. En effet, ces nouveaux convertisseurs plus rapides provoquent sur l'ensemble de la chaîne de puissance une augmentation flagrante des excitations et des interactions électromagnétiques, et ce, en mode conduit comme en mode rayonné. Dans le cas des moteurs électriques, qui représentent la grande majorité des charges alimentées par ce type de générateurs, une conséquence importante est l'augmentation des phénomènes de décharges partielles apparaissant notamment sur leurs bobinages constitutifs. Ceux-ci engendreront un vieillissement prématuré de leurs matériaux isolants, ce qui se traduira par une destruction de ces bobinages à court ou moyen terme. Les études que nous avons menés durant cette thèse permettront de répondre en parties à cette problématique en débutant par la conception d’un banc de puissance spécialisé pour le vieillissement de bobinage à base de composants SiC. Il a été réfléchi de manière à ce qu’il soit modulable sur sa structure afin qu’il puisse s’adapter à différentes configurations de moteur. Également, afin de surveiller ce vieillissement prématuré, nous avons intégré dans ces modules de puissance des sondes de champs électromagnétiques non invasives dans le but d’observer l’excitation du courant produit sur l’isolant diélectrique. Pour pouvoir observer et traiter les signaux provenant de ces sondes, nous avons réfléchi à des chaines d’acquisition qui puissent être couplées à ces sondes. Etant à des fréquences d’acquisition élevées, nous avons étudiés ces chaines d’acquisition afin qu’elles soient isolées par fibres optiques tout en ayant une fréquence d’échantillonnage élevées. Nous avons également développé plusieurs plateformes de contrôle pour qu’elles puissent avoir la possibilité de choisir les paramètres de configuration de fonctionnement du système. Cela revient donc à contrôler les composants de puissance par une logique de fonctionnement spécifiques mais également d’observer les données envoyées par les chaines d’acquisition. Une fois le banc de vieillissement assemblé et opérationnel, des expérimentations de vieillissement sur deux stators différents ont été menés et nous ont permis de démontrer que les moyens de diagnostic que nous avions intégrés peuvent visualiser le vieillissement d’un diélectrique.

The significant technological advances of recent years in the field of generators based on SiC (Silicon Carbide) components make it possible to build high-power power supply applications with better performance: fast switching, high control frequency, improved thermal efficiency, much more compact integration capacities, etc. However, these new forms of power supply create at the same time, new complex problems for the system in which they are inserted, in addition to the loads which they supply. In fact, these new, faster converters cause electromagnetic contraints excitations and interactions across the entire power chain, in both conducted and radiated mode. In the case of electric motors, which represent the vast majority of the loads supplied by this type of generator, an important consequence is the increase of the partial discharge phenomena which appearing in particular on their constituent windings. These will cause premature aging of their insulating materials, which will result in destruction of these windings in the short or medium term.The studies we carried out during this thesis will make it possible to respond to this problem by relying the design and production of a power bench specifically dedicated to the aging of windings based on SiC components. This has been designed to be modular in its structure so that it can adapt to different load configurations. Also, in order to be able to detect signs of this aging, we have integrated non-invasive electromagnetic field probes into our power modules in order to observe the current excitation induced on the dielectric insulator. In order to be able to observe and process the signals coming from these probes, we have contributed on the development of acquisition chains that can be coupled to these probes. As the acquisition frequencies are quite high, we designed these acquisition chains so that they are isolated by optical fibers while having a high sampling frequency. We have also developed several scalable versions of command and control platforms so that a user can easily choose the parameters of the system during an aging campaign. This analysis approach during the aging process therefore amounts to controlling the power components with a specific operating logic but also to acquiring and storing the data from the acquisition chains. Once our aging bench assembled and operational, aging tests on two different motors were carried out in order to validate the process, and also enabled us to demonstrate that the diagnostic means that we have integrated are likely to an operational solution concerning the analysis of the evolution of the aging of a dielectric.