Développement de capteurs thermiques virtuels dans le cadre du contrôle d'électronique de puissance

Virtual thermal sensors improvement for the power electronics control

• Auteur / Autrice : Ali El arabi
• Direction : Benjamin Remy, Nicolas Blet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Vecteurs Énergétiques

Mots clés

Mots clés libres

Electronique de puissance

Problèmes inverses

Capteurs thermiques virtuels

Modélisation thermique

Mesures thermiques optiques

Virtual thermal sensors

Inverse problems

Heat transfer modeling

Optical thermal measurement

Power electronics

Résumé

Les micro-réseaux électriques intelligents « smart grids » se sont développés dans de nombreux domaines de l'énergie renouvelable. Les contraintes d'encombrement, d'efficacité, d'autonomie et de continuité de service de ces réseaux deviennent aujourd'hui fondamentales. Dans ce type d'applications, l'énergie électrique peut être importée et/ou produite sur place ou bien embarquée, mais surtout elle doit être mise à profit avec des rendements les plus élevés possibles. En outre, la qualité de l'énergie brute peut être très instable et variable (éolienne, panneaux solaires). De ce fait, un contrôle électrique optimal doit être apporté afin de convertir et réguler cette énergie afin d'émettre un signal électrique conforme au réseau, mais également de tirer la puissance maximale du système. L'évolution récente de l'électronique de puissance a permis d'augmenter l'efficacité de ces systèmes dans la capture de l'énergie, d'imposer une meilleure qualité de tension de sortie et ainsi d'améliorer leur intégration au sein du réseau, via l'implantation croissante des convertisseurs de puissance [1]. Parmi les composants contrôlables constitutifs de ces convertisseurs, les plus utilisés sont aujourd'hui les IGBT (technologie silicium). L'objectif global du projet proposé est de permettre une utilisation plus aisée des transistors MOSFET (technologie carbure de silicium), qui minimisent les pertes électriques et la durée de commutation par rapport aux IGBT, et qui permettraient en outre de réduire l'encombrement des convertisseurs. Cependant, leur comportement thermoélectrique intrinsèque [2] implique une qualité de contrôle plus précise pour améliorer le rendement du système. L'enjeu du projet global est donc d'incorporer dans le contrôle un paramètre, jusque-là ignoré, à savoir la température de jonction au niveau des puces des semi-conducteurs. La prise en compte de ce paramètre dans le contrôle de l'électronique permettrait la maîtrise du comportement des MOSFET et ainsi d'optimiser la gestion des puissances électriques au sein de chaque branche du convertisseur afin de tirer le meilleur rendement possible du système. En outre, la connaissance de ces températures permettrait de rendre compte du vieillissement des composants et ainsi pourrait servir de diagnostic en ligne pour leur maintenance. La difficulté réside dans le fait que cette température de jonction est inaccessible in situ, en raison d'un encombrement réduit et d'un environnement électromagnétique très perturbé. L'objectif principal de la thèse est donc d'estimer cette température à partir de mesures externes plus aisées, en développant des modèles thermiques ou thermoélectriques spécifiques pour construire des capteurs thermiques virtuels, qui pourront être facilement implémentés dans le contrôle électrique global du convertisseur. Le développement de ces modèles réduits pourra se baser sur des techniques d'identification de paramètres diverses [3,4] par résolution de problèmes inverses,à partir de modélisations tridimensionnelles des semi-conducteurs et de résultats expérimentaux. Une des difficultés sera de conserver une bonne précision en dépit des phénomènes de filtrage spatial et temporel du signal thermique entre les puces et les mesures déportées. L'originalité du projet sera ainsi de développer des modèles compacts précis permettant notamment de simuler les effets diffusifs de constriction 3D au sein des différentes couches des composants.Le banc expérimental, dont le matériel a déjà été acquis,s'appuiera notamment sur des mesures non-intrusives par caméra infrarouge des températures de jonction.

Smart grids have been developed in many fields of renewable energy. The constraints of space, efficiency, autonomy and continuity of service of these networks are becoming fundamental. For these applications, electrical energy can be imported and/or produced on site or on board, but it must be used with the maximal efficiency. Furthermore, the quality of the raw energy can be very unstable and variable (wind turbine, solar panels). An optimal electrical control is necessary in order to convert and regulate this energy, and to deliver an electrical signal consistent with the power grid, while drawing maximum power of the system. Recent developments in power electronics have increased the efficiency of these systems in capturing energy, in order to impose a better quality of output voltage and thus improve their integration within the global network. These improvements are linked to the growing presence of power converters [1]. Among the controllable components of these converters, the most used today are IGBTs (silicon technology). The overall objective of the proposed project is to enable an easier use of MOSFETs (silicon carbide technology). This would minimize electrical losses and switching time compared to IGBTs. Furthermore, this would reduce the size of the converters. However, their intrinsic thermoelectric behavior [2] implies a more precise quality of control to improve the efficiency of the system. The challenge of the overall project is therefore to incorporate into the control a parameter that has been neglected up to now: the junction temperature, at the level of the semiconductor chips. The inclusion of this parameter in the electronic control would improve the behavior of MOSFETs and optimize the management of electrical power within each inverter branch to maximize the system efficiency. In addition, the knowledge of these temperatures would account for the aging of components, and it could serve as online diagnosis for maintenance. The scientific difficulty lies in the fact that this junction temperature is inaccessible in situ, due to a compact design and a very disturbed electromagnetic environment. The main aim of the thesis is to estimate this temperature from external measures, by developing specific thermal or thermoelectric models and building virtual thermal sensors, which could be easily implemented in the overall electrical control of the converter. The development of these models can be based on various parameters identification techniques [3,4] by solving inverse problems, from three-dimensional modeling of semiconductors and from experimental results. One of the difficulties will be to maintain good accuracy despite the phenomena of spatial and temporal filtering of the thermal signal between the chips and the distant measurements. The originality of the project will be to develop precise compact models simulating in particular the 3D diffusive effects of constriction within the different layers of the components. The experimental bench, whose equipment has already been acquired, will be based in particular on non-intrusive measurements of the junction temperatures by infrared camera.