La thématique de l’économie d’énergie est au cœur de nombreux débats dans une ère où les préoccupations climatiques deviennent essentielles. La conférence de Copenhague de décembre 2009 en est un parfait exemple où nombres d’experts scientifiques se réunissent lors de ce sommet autour des questions climatiques au moment même où ces lignes sont écrites. La thématique de l’énergie, de l’optimisation de son utilisation et de son stockage, concerne de manière générale tous les domaines y compris le domaine de l’habitat. Cependant, il y a des secteurs où cela peut sembler plus évident tel le secteur du transport. L’automobile, bien évidemment, est mobilisée autour des campagnes de réductions d’émissions de CO2, mais les secteurs du ferroviaire et de l’aéronautique mènent également des actions majeures. De manière générale et de tout temps, la recherche et le développement dans le domaine technique tendent vers la réduction du volume, du poids et bien souvent des coûts généraux des systèmes.
L’évolution de cette tendance est alors l’intégration des systèmes avec les préoccupations environnementales. Dans le monde de l’avionique cela peut se traduire principalement par la réduction du poids global de l’aéronef. Les problématiques de gain de poids en aéronautique ne sont pas nouvelles mais sont de plus en plus critiques. Il faut savoir que 10kg gagnés par avion moyen porteur peut aboutir à une réduction de 3,4 tonnes d’émission de CO2 par année et par avion. De même sur un avion long courrier, 1kg économisé sur le poids à vide de l’avion peut aboutir à une économie de 10 tonnes de kérosène impliquant une réduction des émissions de CO² pouvant atteindre les 31 tonnes. L’enjeu est donc colossal d’un point de vue économique bien sûr mais aussi du point de vue écologique même si contrairement aux idées reçues le transport aérien « ne produit » que 2% du CO² résultant de l’activité humaine. Ainsi tous les moyens permettant de gagner du poids si faible soit-il sont mis en œuvre. En passant par le poids du fuselage laissé aux constructeurs (recherche de nouveaux matériaux plus légers), de la moquette d’intérieure à tout élément de l’habitacle en passant par le poids des sièges (nouveau concept de sièges rembourrés avec de l’air), rien n’est laissé au hasard.
Généralités : de l’état de l’art aux spécifications aéronautiques
L’électronique de puissance dans l’aéronautique
Les applications de l’électronique de puissance sont nombreuses et se rencontrent partout. De façon non exhaustive, elles s’étendent du domaine domestique (machine à laver le linge, alimentation à découpage pour ordinateur, robots ménagers, hottes aspirantes, …), en passant par le domaine de l’automobile et des transports (allumage électronique des automobiles, ventilateur de radiateur, essuie glace, …, voiture hybride et tout électrique, alimentation de moteurs des motrices ferroviaires, métros et tramway, …, réseau de bord avionique, commandes électriques d’aéronefs Airbus, …), jusqu’au domaine de l’industrie (toutes applications pour conversion d’énergie électrique en énergie mécanique, moteurs et génératrices, alimentation des moteurs pour variation de vitesse, …). Les niveaux de puissance rencontrés sont également très vastes et peuvent être de l’ordre du nW au µW (micromoteurs, …) pour les plus petits actionneurs, et peuvent atteindre des puissances de l’ordre de quelques milliers de MVA pour les installations les plus importantes (centrales de production électrique, liaisons haute tension, …).
On s’aperçoit alors de la multiplicité des applications de l’électronique de puissance mettant en avant la problématique importante de la conversion de l’énergie [Ber00a] entre les différents organes mis en jeu.
Les principales avancées technologiques dans l’aéronautique ont de tout temps été motivées par les problématiques de réduction de poids des équipements, d’amélioration des performances et de fiabilité des systèmes, de leurs durées de vie ainsi que de la réduction des coûts liés à la maintenance. Dans l’histoire de l’aviation, il est de longue date acquis que les systèmes hydrauliques à bord d’un aéronef représentent les systèmes optimums pour l’actionnement et la réalisation de diverses fonctions [Mat43]. Cependant, la formidable avancée technologique dans les systèmes électroniques, principalement due à l’innovation continue dans le domaine des semi-conducteurs, a changé ce paradigme. Depuis une dizaine d’années maintenant, l’aéronautique est portée par la nouvelle vision de l’Avion Plus Électrique (Power Optimized Aircraft ou More Electric Aircraft), voir à terme celle de l’Avion Tout Electrique (All-Electric Aircraft). Bien sûr, la vision de l’avion tout électrique doit encore s’appuyer sur de nombreuses années études avant de pouvoir développer les technologies nécessaires. Néanmoins, des étapes intermédiaires sont indispensables et existent dès aujourd’hui entrant dans le cadre de la vision POA.
Remplacer au maximum les systèmes hydrauliques par des systèmes électriques apporte les bénéfices recherchés cités plus haut. De plus, cela permet de s’affranchir de la complexité naturelle des systèmes de nature hydraulique et pneumatique [Sha91]. Les principales avancées sur les systèmes avioniques peuvent être décrites comme concernant trois types principaux de systèmes : système de contrôle de vol, système de gestion et génération de l’énergie, et système de contrôle de l’énergie [Bue01]. C’est ainsi que dans les systèmes de contrôle de vol, nous avons vu apparaître les actionneurs électrohydraulique (ElectroHydrostatic Actuators) et électromécanique (Electro-Mechanical Actuators) en remplacement des actionneurs hydrauliques classiques. L’enjeu est donc de supprimer tous les risques et inconvénients liés à l’utilisation de l’hydraulique (fluide inflammable sous haute température et pression, fuites des systèmes et renouvellement des fluides, …) en fournissant la puissance électrique directement aux actionneurs. L’introduction de l’électronique autour de ces systèmes permet également l’optimisation de la gestion de la génération de l’énergie et impacte directement sur l’économie de la consommation. En effet, il est alors possible de fournir uniquement la puissance désirée et, au moment voulu, de mettre en mouvement les actionneurs et de les maintenir en position. Les systèmes classiques hydrauliques sont configurés afin de fournir continuellement la pression nécessaire générant ainsi une consommation de puissance élevée et un échauffement important non désiré. Ceci n’est alors qu’un exemple des nombreux avantages possibles.
La multiplication des systèmes électriques à bord d’un avion « moderne » impose obligatoirement l’augmentation et l’amélioration de la qualité du réseau électrique de bord [Lad04]. L’augmentation de la puissance des charges et de nouvelles fonctions électriques pousse à passer d’une puissance de l’ordre de quelques kVA (pour un aéronef classique) à des puissances de l’ordre de quelques centaines de kVA (exemple de l’Airbus A380). Le réseau peut être monophasé ou triphasé, utilisant des onduleurs de tension en fonctionnement MLI dans le but d’alimenter divers convertisseurs (modules de puissance) tels que : les EHA (Electro-Hydrostatic Actuators), EBHA (Electrical Backup Hydraulic Actuators), et EMA (Electro-Mechanical Actuators).
installé sur un avion civil. Co-développé par Hispano-Suiza il est chargé d’actionner électro-mécaniquement l’ouverture et la fermeture de l’inverseur de poussée.
Au final, le champ d’application de l’électronique de puissance est riche et propice à l’innovation de systèmes. Dans un contexte plus proche, l’engouement autour de l’Avion plus électrique a engendré le programme ModErNe (Modular Electrical Network). Cette thèse entre dans le cadre de ce dernier. Ce projet a pour objectif l’étude et la définition des technologies de module de puissance en contraintes aéronautiques. À l’image du système ETRAS, ModErNe a pour but de conceptualiser et de réaliser des convertisseurs de puissance sous environnement sévère, car situés potentiellement en environnement moteur dans la nacelle de l’aéronef. Les pôles d’études, aux nombres de quatre, sont répartis de la façon suivante :
– Étude des systèmes de protection environnementale par technologie polymère,
– Étude des spécifications d’architecture et de la fiabilité des connexions,
– Étude sur l’optimisation thermique des modules et la compatibilité électromagnétique,
– Étude sur la caractérisation et l’analyse fine des comportements des composants semiconducteurs de puissance sous environnement thermique sévère.
Cette dernière sera donc développée tout au long de ce mémoire. La synthèse des quatre pôles d’études aboutira à la réalisation de prototypes de modules de puissance destinés aux futurs aéronefs tout électrique.
La conversion de l’énergie électrique : du convertisseur au semiconducteur de puissance
L’électronique [Bar06] est un champ de la physique très vaste et qui a pour but d’étudier les grandeurs électriques. On peut cependant y distinguer deux grands domaines qui sont l’électronique dite de traitement du signal et l’électronique dite de puissance. Contrairement à la première qui a pour vocation le traitement de l’information, l’électronique de puissance s’attache à mettre en œuvre les outils destinés au traitement et à la conversion de l’énergie. Bien que différent, ces deux champs principaux coexistent parfaitement au sein d’un même système et sont complémentaires .
Les convertisseurs statiques
Par définition la fonction de base d’un convertisseur [Foc89] est la transformation de l’énergie électrique disponible en une forme appropriée à l’alimentation d’une charge. Cette énergie est disponible soit sous forme alternative soit sous forme continue. La charge peut pareillement nécessiter une alimentation continue ou alternative. Il existe alors quatre familles de convertisseurs qui réalisent directement l’interfaçage entre la source et la charge : les redresseurs, les onduleurs, les hacheurs, et les gradateurs/cycloconvertisseurs. Enfin il faut mentionner la notion de réversibilité de ces convertisseurs. En effet, certains d’entre eux peuvent transiter l’énergie de façon bidirectionnelle. La définition des entrées et sorties de ce type de convertisseur peut alors, selon le cas, être confuse. Le convertisseur non réversible ne transite et convertit l’énergie que de la source vers la charge et interdit de fait, tout système de récupération d’énergie.
➤ Conversion alternatif-continu
Le convertisseur transformant l’énergie fournie sous forme alternative pour alimenter une charge sous forme continue est appelé redresseur . Ces convertisseurs sont non réversibles et transfèrent l’énergie de la source alternative vers la charge continue uniquement. Ils sont dans la majorité des cas constitués essentiellement de diodes seules ou avec des thyristors. Ces derniers sont alors qualifiés de structure mixte.
➤ Conversion continu-alternatif
Le convertisseur qui fait interface entre une source continue et une charge alternative est appelée onduleur . La charge alternative peut être de plusieurs types et peut également présenter des forces électro-motrices (alternateurs, machine synchrone ou asynchrone, …). Plusieurs fonctionnements types sont possibles [Bar06] dont les principaux : la modulation à rapport cyclique constant et la Modulation de Largeur d’Impulsion.
➤ Conversion continu-continu
La conversion d’une énergie sous forme continue vers une alimentation de charge de type continue est assurée par un hacheur . Le hacheur règle la tension ou le courant appliqué à la charge et peut être réversible ou non.
➤ Conversion alternatif-alternatif
Le transfert de l’énergie électrique d’une source alternative afin d’alimenter une charge en alternatif est réalisé à l’aide d’un gradateur ou d’un cycloconvertisseur. Selon le cas d’utilisation avec un changement de fréquence ou non du courant, on utilisera l’un ou l’autre convertisseur . Le gradateur est utilisé pour des applications type éclairage (lampadaire halogène, éclairage de scène, …) ou sur moteur universel (perceuse, …) car il est n’est pas nécessaire pour ces applications de faire varier la fréquence des courants d’alimentation. Le cycloconvertisseur est généralement composé de thyristors et est utilisé principalement pour de la très haute puissance supérieure au MVA.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre 1 Généralités : de l’état de l’art aux spécifications aéronautiques
1 L’électronique de puissance dans l’aéronautique
1.1 La conversion de l’énergie électrique : du convertisseur au semi-conducteur de puissance
1.1.A Les convertisseurs statiques
1.1.B La cellule de commutation
1.1.C La fonction onduleur de tension : principes généraux
1.1.C.1 La modulation à rapport cyclique constant
1.1.C.2 La modulation de largeur d’impulsion
1.1.D Le module de puissance : intégration hybride
1.1.D.1 La puce : cœur de la fonction interrupteur de puissance
1.1.D.2 Brasure, encapsulation et refroidissement : généralités
1.2 Etat de l’art de la structure IGBT
1.2.A Le composant IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
1.2.A.1 Principe de fonctionnement des IGBT
1.2.A.2 Inconvénients intrinsèques des IGBTs
1.2.B Les différentes structures d’IGBT
1.2.B.1 La structure Planar
1.2.B.2 La structure Trench
1.2.B.3 Les structures les plus récentes
1.2.B.4 Synthèse des différentes structures IGBT
1.3 Étude préliminaire : choix des composants pour le programme ModErNe
1.3.A Le cahier des charges
1.3.B Prospection et choix technologique
1.3.B.1 Les disponibilités du marché
1.3.B.2 Orientation du choix technologique
1.3.C Sélection effective des composants
1.3.C.1 Caractéristiques électriques
1.3.C.2 Calculs préliminaires
1.4 Conclusion
1.5 Références bibliographiques
Chapitre 2 Conception d’un banc de test et caractérisation électrique des IGBT et diode en température
2 Étude expérimentale de composants de puissance sous température extrême
2.1 Présentation des Véhicules de Test
2.1.A Conception du module test de puissance
2.1.B Outillages et Process technologique
2.1.C Routage électrique des Véhicules de Test
2.1.C.1 Circuit de test de l’IGBT
2.1.C.2 Circuit de test de la diode PiN
2.2 Réalisation du banc de mesure électrique mono-coup
2.2.A Considérations électriques
2.2.A.1 Busbar et éléments passifs
2.2.A.2 Présentation de la carte driver Semikron SKHI22B
2.2.B Conception de la Plateforme Thermique
2.2.B.1 Design de l’échangeur d’air
2.2.B.2 Caisson d’isolation thermique de l’échangeur
2.2.B.3 Validation de la géométrie de l’échangeur
2.2.C Mise en place du banc de test
2.3 Caractérisations électriques
2.3.A Instrumentation et méthode de mesure
2.3.A.1 Conditions de test pour la mesure statique
2.3.A.2 Conditions de test pour la mesure en dynamique
2.4 Résultats expérimentaux et discussion
2.4.A Caractérisations des composants IGBT
2.4.A.1 Caractéristiques statiques des IGBT
2.4.A.2 Caractéristiques dynamiques des IGBT
2.4.B Caractérisations des diodes de puissance
2.4.B.1 Caractéristiques statiques des diodes
2.4.B.2 Caractéristiques dynamiques des diodes
2.4.C Synthèse des mesures statiques et dynamiques
2.5 Conclusion
2.6 Références bibliographiques
Chapitre 3 Contribution à la modélisation à constantes distribuées des diodes PiN et IGBT pour la simulation circuit en électronique de puissance
3 La modélisation analytique physique des composants de puissance et application à la simulation circuit
3.1 Les différents types de modèles de composants appliqués à la modélisation électrique
3.1.A Les modèles comportementaux
3.1.B Les modèles physiques
3.2 Application à la modélisation de diodes PiN et MPS ainsi qu’aux composants IGBT planar SPT+ et à tranchée
3.2.A Modélisation des caissons P dans les composants planar et à tranchée
3.2.B Extraction de paramètres
3.2.B.1 Les diodes de puissance
3.2.B.2 Les transistors IGBT planar et à tranchée
3.3 Confrontations des premiers résultats électriques statiques simulés aux résultats constructeurs
3.3.A La diode de puissance PiN
3.3.B Les composants IGBT
3.3.B.1 L’IGBT planar SPT+
3.3.B.2 L’IGBT trench
3.4 L’Injection Enhanced (ou PiN) Effect dans les composants IGBT moyenne et haute tension
3.4.A Réduction de la résistivité de la région de base
3.4.B Méthodes et techniques employées pour la réalisation de l’IE effect
3.4.C Prise en compte de l’IE effect dans les modèles de la littérature
3.5 Adaptation du modèle d’IGBT à constantes distribuées pour la prise en compte de l’IE effect
3.5.A Modélisation de l’IE effect à partir d’un émetteur virtuel N+
3.5.B Modélisation analytique de la région N- à l’aide de deux régions PiN et PNP
3.5.B.1 Présentation du modèle
3.5.B.2 Résultats de simulation obtenus
3.5.C Approche semi-comportementale : mise en parallèle d’une région de stockage virtuelle sur le modèle d’IGBT
3.5.C.1 Vérification de la convergence du modèle
3.5.D Résultats de simulation statique
3.5.D.1 Caractéristique statique de sortie
3.5.D.2 Influence de la géométrie de la tranchée sur les résultats statiques
3.5.D.3 Synthèse des résultats de simulation : modèle Trench
3.5.E Résultats de simulation : composant SPT+ planar par l’approche semi-comportementale
3.5.E.1 Caractéristique statique de sortie et de transfert
3.6 Prise en compte du design du Véhicule de Test sur la caractéristique électrique: Modélisation électromagnétique
3.6.A Méthodes de modélisation électromagnétique PEEC et à éléments finis
3.6.B Modèles équivalents compact
3.6.B.1 Simulation électromagnétique des Véhicules Tests
3.6.B.2 Simulation électromagnétique du busbar
3.7 Résultats de simulation des Véhicules Tests complets et comparaison avec les résultats expérimentaux
3.7.A Simulation du Véhicule Test : diode PiN
3.7.A.1 Simulation de la caractéristique statique de l’ensemble VT+PiN
3.7.A.2 Simulation dynamique de l’ensembe VT+PiN
3.7.B Simulations du Véhicule Test : IGBT
3.7.B.1 Simulation de la caractéristique statique de l’ensemble VT+IGBT
3.7.B.2 Simulation des commutations de l’ensemble VT+IGBT
3.8 Conclusion
3.9 Références bibliographiques
Conclusion Générale
