Chapitre 1 - Service Central d`Authentification Université de Nantes

UNIVERSITÉ DE NANTES
Ecole polytechnique de l’université de Nantes
_____
ÉCOLE DOCTORALE
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION
ET MATHEMATIQUES
N° attribué par la bibliothèque
Année 2011
DÉVELOPPEMENT DE MODÈLES ET DE MÉTHODES
DE CALCULS ÉLECTRIQUES ET THERMIQUES
APPLIQUÉS AUX ONDULEURS À IGBT
___________
THÈSE DE DOCTORAT
Discipline : Electronique
Spécialité : Génie Electrique
Présentée
et soutenue publiquement par
Joe ANTONIOS
le 26 octobre 2011, devant le jury ci-dessous
Président & Rapporteur
Rapporteur
Examinateurs
Philippe LADOUX, Professeur, LAPLACE, INPT-ENSEEIHT, Toulouse
Denis MAILLET, Professeur, LEMTA, ENSEM-INPL, Vandoeuvre les Nancy
Florent ANDRIANOELISON, Responsable CMP, ALSTOM Transport, Séméac
Christophe BATARD, Maître de Conférences, IREENA, IUT Nantes
Alexandre de BERNARDINIS, Chargé de Recherche, IFSTTAR, Versailles
Nicolas GINOT, Maître de Conférences, IREENA, IUT Nantes
Mohamed MACHMOUM, Professeur, IREENA, Polytech’Nantes
Yves SCUDELLER, Professeur, LGMPA, Polytech’Nantes
Directeurs de thèse :
Mohamed MACHMOUM (IREENA EA1770) - Yves SCUDELLER (LGMPA EA2664)
Encadrants:
Nicolas GINOT - Christophe BATARD (IREENA EA1770)
ED 503-144

Remerciement
Je remercie mes directeurs de thèse Messieurs Mohamed MACHMOUM et
Yves SCUDELLER et mes encadrants Messieurs Nicolas GINOT et Christophe
BATARD pour m’avoir accompagné durant mes années de thèse. Vos conseils et
votre aide, chacun dans sa spécialité, m’ont aidé et guidé dans mon parcours.
Travailler avec vous fut pour moi un plaisir tant au niveau technique qu’au niveau
personnel.
J’exprime ma gratitude à mes rapporteurs, Messieurs Philippe LADOUX et
Denis MAILLET, pour leurs lectures attentives du manuscrit et leurs remarques
constructives. Je remercie également Messieurs Florent ADRIANOELISON et
Alexandre de BERNARDINIS pour leur participation à l’évaluation de cette thèse.
De plus, je remercie l’École Polytechnique de l’Université de Nantes, les
laboratoires IREENA et LGMPA pour leur accueil chaleureux et pour l’atmosphère à
la fois calme et rassurante qu’ils m’ont offert. Ainsi, j’ai pu donner le meilleur de
moi-même.
J’adresse toute ma reconnaissance aux personnes des laboratoires IREENA et
LGMPA, pour leur aide, leur disponibilité, leur soutien et les bons moments passés
en leur compagnie, tout particulièrement à Sandrine, Marc, Guillaume et tous mes
collègues de bureau et de 'pause café'.
Je remercie aussi toutes les personnes qui ont participé, de près ou de loin, à
l’accomplissement de ce travail.

i
Sommaire
Liste des tableaux .......................................................................................................................................... iii
Liste des figures .............................................................................................................................................. v
Liste des annexes ........................................................................................................................................... ix
Introduction .................................................................................................................................................... 1
Chapitre 1 : Généralités ................................................................................................................................. 3
1. Les convertisseurs statiques ............................................................................................................... 3
1.1. Conversion continu-continu ....................................................................................................... 4
1.2. Conversion alternatif-continu ..................................................................................................... 4
1.3. Conversion continu-alternatif ..................................................................................................... 4
1.4. Conversion alternatif-alternatif ................................................................................................... 5
2. Les interrupteurs dans une cellule de commutation ......................................................................... 5
2.1. Interrupteur idéal ....................................................................................................................... 5
2.2. Les semi-conducteurs................................................................................................................. 6
3. Structure d’un module IGBT ............................................................................................................ 7
4. Fonctionnement d’un onduleur ......................................................................................................... 8
5. Stratégie de commande des onduleurs............................................................................................. 11
5.1. La modulation à rapport cyclique constant.................................................................................11
5.2. La Modulation à Largeur d’Impulsion .......................................................................................11
6. Pertes dans les interrupteurs ........................................................................................................... 12
6.1. Méthode analytique de calcul des pertes ....................................................................................15
6.2. Méthode numérique pour la simulation des pertes......................................................................17
7. Modélisation thermique des composants de puissance.................................................................... 19
7.1. Modèles thermiques analytiques : ..............................................................................................19
7.2. Modèles thermiques numériques 3D ..........................................................................................19
7.3. Modèles thermiques approximés : .............................................................................................20
7.4. Modèles compacts ....................................................................................................................21
8. Simulation électrothermique ........................................................................................................... 23
8.1. Méthode de relaxation...............................................................................................................23
8.2. Méthode directe ........................................................................................................................23
9. Conclusion ........................................................................................................................................ 24
Chapitre 2 : Étude Expérimentale ................................................................................................................25
1. Structure du module IGBT étudié ................................................................................................... 25
2. Description du banc expérimental ................................................................................................... 28
2.1. Onduleur monophasé ................................................................................................................30
2.2. Système de refroidissement .......................................................................................................31
2.3. Système de mesure électrique....................................................................................................31
2.4. Systèmes de mesure thermique ..................................................................................................32
3. Résultats expérimentaux .................................................................................................................. 35
3.1. Mesures électriques ..................................................................................................................35
3.2. Mesures thermiques ..................................................................................................................39
4. Conclusion ........................................................................................................................................ 46