Contribution à l'identification et à l'estimation des contraintes de fatigue thermique des convertisseurs intégrés pour la traction électrique - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2003

Contribution to the identification and estimation of the thermal fatigue constraints on integrated power converters for electrical traction

Contribution à l'identification et à l'estimation des contraintes de fatigue thermique des convertisseurs intégrés pour la traction électrique

Abstract

ln the field of a reliability study on power electronic components dedicated to electrical traction, the identification then estimation of the thermal constraints generated during operation are very important. Indeed, with their repetition over the time, they induce a thermal fatigue, which consequence is the material damage of the component. This phenomenon leads to an evolution of the electrical and thermal characteristics of the power modules and appear as one of the major causes of failure listed for electrical traction where thermal cycling constraints are severe. After done a state of the art of the components used in the electrical traction and formulate the theoretical basis required for the comprehension and the resolution of the problematic, we focused to estimate the IGBT power module lifetime used in an automotive hybrid vehicle. Thus, after a recording, with an original method with optical fibres, the chips temperature on a vehicle in operation in an urban traffic, then an identification of thermal cycles with a statistical method of the temperature distribution, we have done some power cycling tests with the intention of estimate the module lifetime under different constraint levels. Finally, with a correlation ofthese two tests, we've been able to estimate the strong presented by these modules versus the repetitive of the thermal constraints generated and reinforce the automotive manufacturers in their request of the lifetime. Finally, we have focused on the estimation of the thermal constraints generated, first, in DUAL module, with an unidimensional RC model. Then, with the use of a model taking into account the thermal interactions between chips, we have looked the case of the multichip integrated converters. In this last study, the model has been validated experimentally on a hybrid traction line and allows us to obtain thermal constraints generated in real operation conditions on a normalised European road mission profile. Finally, with this study, we have shown the possibilities of this tool in the supervision and prediction of the thermal constraints during operation of the integrated power converters.
Dans le cadre d'une étude de fiabilité menée sur des composants d'électronique de puissance destinés à la traction électrique, l'identification puis l'estimation des contraintes thermiques générées durant le fonctionnement sont très importantes. En effet, avec leur répétition au cours du temps, ces dernières induisent une fatigue thermique, dont la conséquence est une dégradation matérielle du composant. Ce phénomène conduit à une évolution des caractéristiques électriques et thermiques des modules de puissance et figure comme une des causes majeures de défaillances répertoriées pour la traction électrique où les contraintes de cyclage thermique sont sévères. Après avoir fait un état de l'art des composants utilisés dans la traction électrique et avoir posé les bases théoriques nécessaires à la compréhension et à la résolution de la problématique posée, nous nous sommes attachés à estimer la durée de vie de modules de puissances IGBT utilisés dans un véhicule hybride automobile. Ainsi, après un relevé, par une instrumentation originale avec fibres optiques, des températures de puces sur un véhicule en fonctionnement dans un trafic urbain, puis une identification des cycles thermiques par une méthode statistique de distribution de la température, nous avons mené des essais de cyclage thermique actif accéléré dans le but d'estimer la durée de vie de ces modules sous divers niveaux de contraintes. Enfin, grâce à une corrélation de ces deux essais, nous avons pu estimer la résistance que présentaient ces modules face à la répétition des contraintes thermiques générées et conforter ainsi le constructeur automobile dans son exigence de durée de vie. Finalement, nous nous sommes focalisés sur l'estimation des contraintes thermiques générées, dans un premier temps, dans les modules DUAL, à l'aide d'un modèle RC unidimensionnel. Puis dans un deuxième temps, avec l'utilisation d'un modèle mettant en évidence les interactions thermiques entre les puces, nous nous sommes confrontés au cas des convertisseurs intégrés multichip. Dans cette dernière étude, le modèle a été validé expérimentalement sur une chaîne de traction hybride et nous a permis d'obtenir les contraintes thermiques générées en conditions réelles de fonctionnement sur un profil de mission routier européen normalisé. Finalement, grâce à cette étude, nous avons montré l'éventail des possibilités offertes par cet outil dans la surveillance et la prédiction des contraintes thermiques générées durant le fonctionnement de convertisseurs de puissance intégrés.
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tel-01746916 , version 1 (29-03-2018)

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  • HAL Id : tel-01746916 , version 1

Cite

Stéphane Carubelli. Contribution à l'identification et à l'estimation des contraintes de fatigue thermique des convertisseurs intégrés pour la traction électrique. Autre. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 2003. Français. ⟨NNT : 2003NAN10105⟩. ⟨tel-01746916⟩
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