PDF - Thèses INP Toulouse

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En vue de l'obtention du
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Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulous
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Discipline ou spécialité : Génie Electrique
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François COSTA, Professeur à l'ENS de CACHAN et chercheur au SATIE. Rapporteur.
Philippe LEMOIGNE, Professeur à l'Ecole Centrale de Lille et chercheur au LEEP. Rapporteur.
Jean-Paul FERRIEUX, Professeur à l'IUT de Grenoble et chercheur au G2ELAB. Examinateur.
Guillaume GATEAU, Professeur à l'ENSEEIHT – INPT et chercheur au LAPLACE. Examinateur.
Frédéric RICHARDEAU, Directeur de Recherche CNRS au LAPLACE. Directeur de Thèse et encadrant.
Fernando ITURRIZ, Ingénieur de Recherche - Airbus. Invité.
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : LAPLACE
Directeur de Thèse : Frédéric RICHARDEAU
présentée et soutenue par Mme Thi Thuy Linh PHAM
le 9 novembre 2011
Contribution à l’étude de nouveaux convertisseurs sécurisés
à tolérance de panne pour systèmes critiques à haute performance.
Application à un PFC Double- Boost 5 Niveaux.

III

V
Résumé
Ce travail vise une exploration et une évaluation de nouvelles variantes de topologies multi-
niveaux AC/DC non réversibles (PFC) du point de vue de leur sûreté de fonctionnement :
recherche d'une grande sécurité électrique sur destruction interne et maintien d'une
continuité de fonctionnement. Elles sont caractérisées par une connexion AC non
différentielle, un partitionnement cellulaire en série et symétrique autour d'un point milieu.
Cette organisation permet d'exploiter la redondance active série entre les cellules d'un
même groupe et l'effet de ségrégation topologique qui apparaît entre les deux groupes de
cellules. Les structures étudiées sont modulaires et peuvent être parallélisées et étendues à
un nombre quelconque de phases. Elles ne possèdent que des cellules mono-transistors
basse-tension (Si et SiC 600V max) performantes et intrinsèquement tolérantes aux
imperfections de la commande et aux parasites donc naturellement sécurisées. Les
comparaisons prenant en compte les pertes, la répartition des pertes, le dimensionnement
et le report de contraintes sur défaut interne mettent en avant la structure PFC Double-
Boost Flying Cap. à 5 Niveaux, brevetée en début de thèse, comme une solution ayant le
meilleur compromis.
Sur le plan théorique nous montrons que le seul calcul de la fiabilité basé uniquement sur un
critère d'occurrence au premier défaut est inadapté pour décrire ce type de topologie. La
prise en compte de la tolérance de panne est nécessaire et permet d'évaluer la fiabilité
globalement sur une panne effective (i.e. au second défaut). L'adaptation de modèles
théoriques de fiabilité à taux de défaillance constant mais prenant en compte, au niveau de
leurs paramètres, le report de contrainte en tension et l'augmentation de température qui
résulte d'un premier défaut, permet de chiffrer par intégration et en valeur relative, le gain
obtenu sur un temps court. Ce résultat est compatible avec les systèmes embarqués et la
maintenance conditionnelle.
Un prototype monophasé à 5 niveaux, à commande entièrement numérique et à MLI
optimisée reconfigurable en temps réel a été réalisé afin de valider l’étude. Il permet une
adaptation automatique de la topologie de 5 à 4 puis à 3 niveaux par exemple. Ce prototype
a également servi de banc de test d'endurance du mode de défaillance sur claquage –
avalanche de transistors CoolMos™ et diodes SiC, volontairement détruits individuellement
dans des conditions d'énergie maîtrisée et reproductibles, afin de prouver
expérimentalement le maintien du service sur plusieurs centaines d'heures au prix d'un
derating de 30% maximum en puissance seulement.
La détection et le diagnostic rapide de défauts internes ont également été traités dans ce
travail. D'une part, par la surveillance directe et le seuillage des tensions internes (tensions
flottantes) et d'autre part, par une détection harmonique de la fréquence de base
(amplitude et phase) en temps réel. Ces deux techniques ont été intégrées numériquement
et évaluées sur le prototype, en particulier la seconde qui ne requiert qu'un seul capteur.