THÈSE DOCTEUR DE L`UNIVERSITÉ DE GRENOBLE

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Génie électrique
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Martin Cong WU
Thèse dirigée par Yvan AVENAS et
codirigée par Marc MISCEVIC et Jean-Paul FERRIEUX
préparée au sein du Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2Elab)
dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique et
Traitement du signal (EEATS)
Etude Prospective de la Topologie MMC et du
packaging 3D pour la réalisation d’un variateur
de vitesse en moyenne tension
Thèse soutenue publiquement le 8 Avril 2015, devant le jury composé de :
M, Yvan AVENAS
Maître de conférences à Grenoble-INP, Directeur de thèse
M, Stéphane AZZOPARDI
Maître de conférences à Bordeaux-INP, Rapporteur
M, Philippe LE MOIGNE
Professeur à l’Ecole Centrale de Lille, Rapporteur
M, Stéphane LEFEBVRE
Professeur à CNAM de Paris, Examinateur
M, Jean-Paul FERRIEUX
Professeur à UJF de Grenoble, Co-encadrant de thèse
M, Miao-Xin WANG
Ingénieur à Schneider Electric (Grenoble), Co-encadrant de thèse
M, Marc MISCEVIC
Maître de conférences au LAPLACE, Invité
M, Philippe LASEERRE
Ingénieur à la Plate-forme PRIMES, Invité
M, Jean-Paul LAVIEVILLE
Expert technique à Schneider Electric (Pacy), Invité

RESUME
Étude prospective de la topologie MMC et du packaging 3D
pour la réalisation d'un variateur de vitesse en moyenne tension
Mots clés
Convertisseur modulaire multiniveaux
Électronique de puissance
Stratégies de commande
Packaging 3D
Variateur de vitesse
Moyenne tension
La topologie modulaire multiniveaux est une structure d’électronique de puissance
construite par la mise en série de sous-modules identiques, composés chacun d’une cellule de
commutation et d’un condensateur. Un tel système de conversion pouvant comporter un grand
nombre de cellules permet d’augmenter le rendement global et la qualité des signaux en sortie.
De plus, il permet d’utiliser des composants basse tension présentant un meilleur comportement
dynamique et un rapport qualité-prix bien supérieur aux composants moyenne tension.
Il permet également, par rapport aux structures conventionnelles, une grande
souplesse pour la conception et la fabrication du fait de son aspect modulaire, tout en
s’affranchissant d’un transformateur volumineux et onéreux en entrée. Comparé aux autres
types de topologies, avantageuses avec un nombre limité de niveaux, le convertisseur modulaire
multiniveaux semble être mieux adapté aux applications en moyenne et haute tensions, qui sont
tributaires de l’association des composants de puissance. Néanmoins, pour la variation de
vitesse, un certain nombre de défis technologiques ont été mis en évidence, compte tenu du
fonctionnement particulier de l’onduleur modulaire multiniveaux et des contraintes imposées
par l’opération en très basse fréquence.
En fonctionnement normal, la forme d’onde des courants internes, contrairement aux
autres types de topologies, n’est pas symétrique en raison de la distribution du courant direct
dans chaque bras. Cela entraîne une disparité significative en termes de dissipation thermique
parmi les interrupteurs constituant un sous-module. Avec le choix d’une technologie de
packaging 3D, la possibilité de refroidir les puces semi-conductrices en double-face offre une
meilleure capacité de refroidissement et une nouvelle perspective de conception des modules
pour cette application.
Un nouveau concept de report de puces est présenté et un prototype de tel module a
été réalisé, modélisé et caractérisé. Il permet d’équilibrer globalement la chaleur dissipée par
les puces sur les deux faces du module, problème inhérent à l’emploi de structure 3D. Conjugué
à la mutualisation d’un interrupteur par deux puces en parallèle, la nouvelle architecture a aussi

RESUME
pour objectif d’équilibrer le refroidissement double-face dans le temps. En effet, pour les
opérations en basse fréquence, les interrupteurs fonctionnent en régime instationnaire avec de
forte variation de température, il n’est donc plus possible de compenser les effets
thermomécaniques de chaque composant l’un par l’autre, comme en régime stationnaire et avec
un positionnement planaire des puces.
D’autre part, d’un point de vu systémique, la stratégie de commande et le
dimensionnement des condensateurs flottants de l’onduleur modulaire multiniveaux sont deux
aspects intimement liés. En effet, les condensateurs flottants sont le siège d’ondulations de
tension de très forte amplitude. Cela a pour effet de déstabiliser l’onduleur, voire de provoquer
la destruction des composants en atteignant des niveaux de tension trop élevés. Ainsi, des
contrôleurs judicieusement conçus permettent de réduire les ondulations indésirables, et a
fortiori, d’embarquer des capacités moins importantes dans le système, tant que ces dernières
sont inversement proportionnelles à l’ondulation de la tension.
Afin d’avoir une compréhension approfondie sur les dynamiques régissant le
convertisseur modulaire multiniveaux, un modèle dynamique global basé sur la représentation
d’état a été établi. Bien que cette représentation soit limitée à l’harmonique 2 des grandeurs
caractéristiques, elle permet une fidèle interprétation du mécanisme de conversion sans passer
par des modèles énergétiques bien plus complexes à exploiter, et de proposer des lois de
commande montrant leur efficacité notamment autour de la fréquence nominale. Cela a été
vérifié sur une maquette de puissance réalisée dans le cadre de cette thèse.

ABSTRACT
Prospective study on medium-voltage drive
with MMC Topology and 3D packaging power modules
Key words
Modular multilevel converters
Power electronics
Control strategies
3D packaging
Variable speed drive
Medium voltage
Multilevel modular topology converts energy between two direct and alternative
endings. This structure is constructed by the series connection of identical sub-modules,
composed of a switching cell and a floating capacitor, and with arm inductors. Such a
conversion system may reach a large number of levels increases the overall efficiency and
quality of the output signals. In addition, it allows the use of low voltage components with better
dynamics and cost effectiveness above the high voltage components.
It also allows flexibility in the work of design and manufacture due to its modularity,
while avoiding a bulky and expensive input transformer, regarding the conventional
technology. Compared with other types of topologies, advantageous with a limited number of
levels, the modular multilevel converter seems to be more suited for medium and high voltage
applications, which are dependent on the association of power components. However, for
variable speed drive application, a certain number of technological challenges have been
highlighted, given the specific functional characteristics of the modular multilevel inverter and
the constraints imposed by the very low frequency operation.
On the one hand, for the normal operation of a multilevel modular converter, the
waveform of the internal currents, in contrast to other types of topologies, is not symmetrical
due to the distribution of the direct current in each phase leg. This may entail a significant
disparity in terms of heat dissipation within the switching devices constituting a sub-module.
Therefore, the problem of thermal management of active components is emphasized in the use
of a modular multilevel converter. With the choice of a 3D packaging technology,
interconnection by bumps, the ability to cool the semiconductor chips through the both sides of
a module offers better cooling effects and a new perspective to design the power module for
the studied structure.
The concept of laying chips on both the two substrates of module without facing each
other provides overall balanced dissipation in the space and permit to overcome the unbalanced
heat distribution induced by bumps. Combined with the sharing of a switch by two chips in