Rapport d’avancement (Mars-Avril 2103)Estimation des pertes et dimensionnementdes radiateurs pour les convertisseursstatiq...
Sommaire1. Introduction......................................................................................................
Figure 6 : Allures des signaux de commande CH et CL avant et après introduction du temps mort... 13Figure 7 : Allure du co...
1.IntroductionLa modélisation des convertisseurs statiques est le principal défi pour la simulation tempsréel. Deux types ...
2.Estimation des pertes2.1 Caractéristiques de commutation d’un IGBT et d’une Diode2.1.1 Caractéristiques de commutation d...
Lors de la commutation à louverture, lIGBT est initialement fermé. Le courant ic est imposépar la charge. Lorsque la comma...
2 est le temps de recouvrement inverse qui correspond à lintervalle de temps pendant lequella tension est inférieur à 10% ...
Lénergie dissipée pendant la conduction est définie par := ( ).avec tconT = tsw-tdon-ton+tdoff (voir figure 1).La puissanc...
3.Dimensionnement du radiateurDans un convertisseur statique, un radiateur est utilisé pour évacuer la chaleur dissipée pa...
Figure 3: Structure du système électrique à étudier4.2 Modélisation du hacheur réversible en courantLa modélisation du hac...
Figure 4: Circuit ADC équivalent d’un interrupteurLa valeur de la source J de courant dépend de létat de linterrupteur et ...
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Figure 6 : Allures des signaux de commande CH et CL avant et après introduction du tempsmortFigure 7 : Allure du courant d...
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Pour calculer les paramètres du modèle ADC, la méthode présentée sur lorganigramme de lafigure 12 est utilisée. Cette méth...
Simulation (600V, 34.5A) Datasheet (600V, 50A)tdon 100 ns 100 nstr 40 ns 50 nston 160 ns -tdoff 100 ns 300 nstf 266 ns 300...
La figure 14.a présente les allures de la tension et du courant dans lIGBT1 du hacheurpendant la commutation à louverture....
Figure 15 : (a) Allures de la tension et du courant dans lIGBT1 pendant la conduction (b)Allure de la puissance instantané...
Figure 16 : (a) Allures de la tension et du courant dans la diode 2 pendant la commutation àlouverture (b) Allure de la pu...
Figure 18: Variation de la puissance moyenne par commutation en fonction de la fréquencede découpageFigure 19 : Variation ...
Figure 20 : Variation de lénergie dissipée par commutation en fonction du courant de lachargeFigure 21 : Variation de léne...
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Rapport d'avancement estimation pertes dimensionnement radiateurs_powerex

  1. 1. Rapport d’avancement (Mars-Avril 2103)Estimation des pertes et dimensionnementdes radiateurs pour les convertisseursstatiquesRéalisé par : M. Dagbagi MohamedSuivi par : M. Idkhajine LahoucineM. Monmasson EricMme. Slama-belkhodja Ilhem
  2. 2. Sommaire1. Introduction....................................................................................................................... 42. Estimation des pertes........................................................................................................ 52.1 Caractéristiques de commutation d’un IGBT et d’une Diode ..................................... 52.1.1 Caractéristiques de commutation d’un IGBT....................................................... 52.1.2 Caractéristiques de commutation dune diode...................................................... 62.2 Pertes dans un IGBT et dans une diode....................................................................... 72.2.1 Pertes dans un IGBT ............................................................................................ 72.2.1.1 Pertes en commutation...................................................................................... 72.2.1.2 Pertes en conduction......................................................................................... 72.2.2 Pertes dans une diode ........................................................................................... 82.2.2.1 Pertes en commutation...................................................................................... 82.2.2.2 Pertes en conduction......................................................................................... 83. Dimensionnement du radiateur....................................................................................... 94. Cas détude ........................................................................................................................ 94.1 Structure du système électrique à étudier.................................................................... 94.2 Modélisation du hacheur réversible en courant......................................................... 104.3 Estimation des pertes................................................................................................. 144.3.1 Détermination de paramètres du modèle ADC .................................................. 144.3.2 Calcul des pertes................................................................................................. 174.4 Dimensionnement du radiateur.................................................................................. 224.4.1 Calcul de la résistance thermique jonction ambiance ........................................ 225. Conclusion ....................................................................................................................... 23Liste de figuresFigure 1: Formes dondes de la tension vce et du courant ic dun IGBT pendant une période decommutation............................................................................................................................................ 5Figure 2: Formes dondes de la tension vd et du courant id dune diode antiparallèle pendant unepériode de commutation.......................................................................................................................... 6Figure 3: Structure du système électrique à étudier ............................................................................. 10Figure 4: Circuit ADC équivalent d’un interrupteur............................................................................ 11Figure 5: Circuit ADC équivalent du hacheur réversible en courant................................................... 12
  3. 3. Figure 6 : Allures des signaux de commande CH et CL avant et après introduction du temps mort... 13Figure 7 : Allure du courant de la charge ............................................................................................ 13Figure 8 : Allures des tensions et des courants dans les IGBTs et les diodes....................................... 14Figure 9 : Abaques de tr, tf, trr et Rsw en fonction de Csw ....................................................................... 15Figure 10 : Abaques de tr, tf, trr et Rsw en fonction de Lsw...................................................................... 15Figure 11 : Abaques de tr, tf, trr et Rsw en fonction de Te ....................................................................... 15Figure 12: Méthode utilisée pour déterminer les paramètres du modèle ADC .................................... 16Figure 13: (a) Allures de tension et du courant dans lIGBT1 pendant lamorçage (b) Allures de lapuissance instantanée et de lénergie dissipées pendant lamorçage.................................................... 17Figure 14 : (a) Allures de la tension et du courant dans lIGBT1 pendant le blocage (b) Allures de lapuissance instantanée et de lénergie dissipées dans lIGBT1 pendant le blocage ............................... 18Figure 15 : (a) Allures de la tension et du courant dans lIGBT1 pendant la conduction (b) Allure de lapuissance instantanée et de lénergie dissipées dans LIGBT1 pendant la conduction......................... 19Figure 16 : (a) Allures de la tension et du courant dans la diode 2 pendant la commutation àlouverture (b) Allure de la puissance instantanée et de lénergie dissipées dans la diode 2 pendant lacommutation à louverture..................................................................................................................... 20Figure 17 : (a) Allures de la tension et du courant dans la diode 2 pendant la conduction (b) Allure dela puissance instantanée et de lénergie dissipées dans La diode 2 pendant la conduction.................. 20Figure 18: Variation de la puissance moyenne par commutation en fonction de la fréquence dedécoupage.............................................................................................................................................. 21Figure 19 : Variation de la puissance moyenne pendant la conduction en fonction de la fréquence dedécoupage.............................................................................................................................................. 21Figure 20 : Variation de lénergie dissipée par commutation en fonction du courant de la charge .... 22Figure 21 : Variation de lénergie dissipée par conduction en fonction du courant de la charge........ 22Liste de tableauxTableau 1: Comparaison entre les paramètres temporels du modèle ADC et du module IGBT/DiodeCM50DU-24F de Powerex®................................................................................................................. 17Tableau 2: énergies dissipées dans lIGBT et la diode pendant la commutation et la conduction....... 20
  4. 4. 1.IntroductionLa modélisation des convertisseurs statiques est le principal défi pour la simulation tempsréel. Deux types de modèles peuvent être utilisés: (1) modèle niveau système et (2) modèleniveau composant. Le modèle niveau système est utilisé pour étudier les ondulations et lesharmoniques provoqués dans la charge par le convertisseur statique. Dans ce modèle, latension de sortie du convertisseur est lunique variable qui peut être simulée. Donc, il est clairque ce type de modèle est incapable de reproduire les comportements dynamiques desinterrupteurs de puissance. Pour analyser les phénomènes de commutation des semi-conducteurs, le modèle niveau composant est utilisé. Ce modèle permet de simuler les alluresdes tensions et courants à l’intérieur des convertisseurs statiques. Par conséquent, les pertes encommutation et en conduction peuvent être simulées et calculées.Dans ce travail le modèle analytique niveau composant déduit par lapproche ADC est utilisépour modéliser les interrupteurs de puissance (IGBT/Diode) dun hacheur réversible encourant. Les paramètres du modèle sont choisis pour reproduire les caractéristiquesdynamiques du module IGBT/Diode CM50DU-24F 1200V/50A de Powerex. Lesphénomènes de commutation (allure des tensions et courants, différents temps decommutation) sont dabord simulées. Puis, les pertes en commutation et en conduction sontsimulées, calculées et utilisées pour dimensionner le radiateur pour la maquette expérimentaledu hacheur pris comme un cas détude.Ce rapport est constitué de trois principales parties. Dans la première partie une descriptiondes comportements dynamiques dun IGBT et dune diode à la fermeture et à louverture, desdifférents types de pertes et des différentes formules utilisées pour les évaluer est présentée.Dans la deuxième partie, le dimensionnement du radiateur pour un convertisseur statique estexpliqué. Dans la troisième partie, lexemple dun hacheur réversible en courant est priscomme un cas détude. Dabord, le hacheur en question est modélisé et simulé. Puis, les pertesen commutation et en conduction dans ses IGBTs et ses diodes sont calculées. Enfin, leradiateur qui va servir pour évacuer la chaleur dissipée par les IGBTs et les diodes de cehacheur est choisi.
  5. 5. 2.Estimation des pertes2.1 Caractéristiques de commutation d’un IGBT et d’une Diode2.1.1 Caractéristiques de commutation d’un IGBTFigure 1: Formes dondes de la tension vce et du courant ic dun IGBT pendant une période decommutationLa figure 1 montre les formes dondes de la tension vce et du courant ic dun IGBT pendant unepériode de commutation. Elle montre également les différents temps de commutation.Lors de la commutation à la fermeture dun IGBT, le courant ic naugmente pasimmédiatement après le passage de la commande (c) au niveau haut. Il reste presque nulpendant un intervalle de temps égal à tdon (temps de retard à la fermeture). Cest lintervallede temps entre le passage de la commande au niveau haut et celui de ic à 10 % de I (sa valeurfinale en régime permanent). Juste après ce temps de retard, le courant ic augmente.Lintervalle de temps entre le passage de ic de 10 % à 90 % de I est appelé tr (temps demontée). Quant à la durée de temps pendant laquelle le courant ic et la tension vce sontrespectivement supérieurs à 10% de I et 10% de Vdc, elle est appelée ton (temps de fermeture).Lintervalle de temps entre linstant où la commande passe au niveau haut et linstant où latension Vce atteint 10% de Vdc est noté tfv (temps de descente de la tension Vce).Pendant la conduction, la tension aux bornes de lIGBT est non nulle, elle est égale à Vce-sat.Le temps de conduction est égal à tconT = tsw-tdon-ton+tdoff .vce ic0.1I 0.1Vdc0.9Itontdon trtfvt=0tt0.1Vdc0.9I0.1Itdofftofftfitswt=to t=t1 t=t2 t=t3tfIVdcc0.01Ittail1/Fvce-sat
  6. 6. Lors de la commutation à louverture, lIGBT est initialement fermé. Le courant ic est imposépar la charge. Lorsque la commande passe du niveau haut au niveau bas, le courant ic et latension vce reste presque constants pendant un intervalle de temps appelé tdoff (temps de retardà louverture). Cest lintervalle de temps entre le passage de la commande au niveau bas etcelui de vce à 10 % de sa valeur finale Vdc. Après ce temps de retard, la tension vce augmented’abord lentement puis de plus en plus vite. Le courant ic reste proche au courant de la charge.Puis, il commence à diminue rapidement puis lentement. Lintervalle de temps entre lepassage de ic de 90 % à 10 % de I est noté tf (temps de descente) tandis que lintervalle detemps entre le passage de ic de 10 % à 1 % de I est noté ttail (temps de queue). Quant àlintervalle de temps entre linstant où la commande passe au niveau bas et linstant où la lecourant ic atteint 10% de I, il est noté tfi (temps de descente du courant ic).2.1.2 Caractéristiques de commutation dune diodeFigure 2: Formes dondes de la tension vd et du courant id dune diode antiparallèle pendantune période de commutationLa figure 2 montre les formes dondes de la tension vd et le courant id dans une diodeantiparallèle pendant une période de commutation. Une fois la diode est passante, elle esttraversée par un courant id dont la valeur dépend de la charge et elle possède à ses bornes unetension positive égale à vd-sat. Lors de blocage, le courant id commence à diminuerprogressivement. Quant il sannule, la diode reste passante (les charge ne sont pas encoreévacuées). Puis le courant sinverse. La tension vd reste voisine de zéro jusquà ce que lecourant atteigne le pic Irr. À cet instant la diode souvre, le courant id sannule et une tensionnégative (-Vdc) est imposée aux bornes de la diode. ). La durée de temps notée trr sur la figurevd-satvd-Vdcidichtrrtt=0tIrrtswt=t4 t=t51/Fc
  7. 7. 2 est le temps de recouvrement inverse qui correspond à lintervalle de temps pendant lequella tension est inférieur à 10% de sa valeur finale (-Vdc) et le courant est inférieur à 10% Irr.2.2 Pertes dans un IGBT et dans une diode2.2.1 Pertes dans un IGBTLes deux pertes de puissance sont les pertes de commutation et les pertes de conduction. Lespertes de commutation sont la dissipation de puissance pendant la fermeture et louverturedun IGBT. La perte de conduction est la dissipation de puissance pendant la conduction.Ces pertes dépendent du produit de la tension vce et du courant ic, de la durée de commutationet de conduction et de la fréquence de découpage. Par conséquent, elles peuvent être évaluéespar plusieurs formules (puissance instantanée, énergie dissipée, puissance moyenne). En cequi suit sont données les différentes formules qui peuvent être utilisées pour calculer lespertes dans un IGBT.2.2.1.1 Pertes en commutationLexpression de la puissance instantanée est la suivante :( ) = ( ). ( )Lénergie dissipée pendant la commutation à la fermeture est définie par := ( ). ( ) avec t0 et t1 sont respectivement le début et la fin de la commutation à la fermeture (voirfigure 1).Lénergie dissipée pendant la commutation à louverture est définie par := ( ). ( ) avec t2 et t3 sont respectivement le début et la fin de la commutation à louverture (voir figure1).La puissance moyenne sur une période de découpage est exprimée comme suit:= ( + ).avec F est la fréquence de découpage.2.2.1.2 Pertes en conductionLexpression de la puissance instantanée est la suivante :( ) = _ . ( )
  8. 8. Lénergie dissipée pendant la conduction est définie par := ( ).avec tconT = tsw-tdon-ton+tdoff (voir figure 1).La puissance moyenne sur une période de découpage est exprimée comme suit:= .2.2.2 Pertes dans une diodeLes deux pertes de puissance les plus importants pour une diode sont les pertes pendant lacommutation à louverture et la perte en conduction. Généralement, les pertes pendant lacommutation à la fermeture sont négligeables.2.2.2.1 Pertes en commutationLa puissance instantanée dissipée dans une diode est définie par la relation suivante :!( ) = "( ). "( )Lénergie dissipée dans une diode pendend la commutation à louverture est donnée par larelation suivante :! = "( ). "( )#$ avec t4 et t5 sont respectivement le début et la fin de la commutation à louverture et t5- t4=trr(voir figure 2).La puissance moyenne sur une période de découpage est exprimée comme suit:! = !.2.2.2.2 Pertes en conductionLa puissance instantanée dissipée dans une diode pendant la conduction est déterminée par :!( ) = "_ . "( )Lexpression de lénergie dissipée dans une diode est :! = !( ). !La puissance moyenne sur une période de découpage est exprimée comme suit:! = !.
  9. 9. 3.Dimensionnement du radiateurDans un convertisseur statique, un radiateur est utilisé pour évacuer la chaleur dissipée par sesinterrupteurs de puissance. Le dimensionnement du radiateur consiste à déterminer sarésistance thermique radiateur ambiance Rth R-A. Le calcule de cette résistance est réalisé enutilisant la loi d’Ohm thermique.%& = % + . ( ) *+,OùTj : Température de la jonction dans l’IGBTTamb : Température ambiantePtot : La puissance total dissipée par un module IGBTRth J-A : Résistance thermique jonction-ambiance, qui est la somme de trois résistances :1. Rth J-B : Résistance thermique jonction-boitier,2. Rth B-R : Résistance thermique boitier-radiateur,3. Rth R-A : Résistance thermique radiateur-ambiante.Les valeurs Tj, Rth J-B et Rth B-R sont données par le constructeur de l’IGBT. La valeur de latempérature ambiante est prise généralement égale à 25°C.La résistance thermique jonction-ambiance :( ) *+, =%& − % La résistance thermique radiateur-ambiante :( ) .+, = ( ) *+, − (( ) *+/ + ( ) /+.)4.Cas détude4.1 Structure du système électrique à étudierLa figure 3 montre la structure du système électrique à étudier. Il sagit dun hacheurréversible en courant alimentant une charge RLE. Vdc étant la tension continue en entrée duhacheur. Ce dernier est constitué de deux cellules de commutation. Chacun cellule estcomposé dun IGBT avec une diode en antiparallèle. CH et CL sont respectivement les signauxde commande des IGBTs haut et bas. Ces signaux sont complémentaires. Ils sont obtenusaprès lintroduction du temps mort nécessaire pour éviter une conduction simultanée desIGBTs.
  10. 10. Figure 3: Structure du système électrique à étudier4.2 Modélisation du hacheur réversible en courantLa modélisation du hacheur est réalisée en utilisant deux méthodes de modélisation. Lapremière méthode est lapproche ADC. La deuxième est la méthode danalyse nodalemodifiée. Lapproche ADC est utilisée pour modéliser les interrupteurs de puissance. Elleconsiste à représenter chaque interrupteur par une faible inductance (Lsw) lorsqu’il est fermé etpar une faible capacité (Csw) lorsqu’il est ouvert. une petite modification est introduite surcette approche. Étant donné que le modèle ADC dun interrupteur est équivalent à un circuitLC, des dépassements et des oscillations sont observés aux moments de commutation. Pourrésoudre ce problème une résistance (Rsw) est ajoutée. Cette dernière joue le rôle d’unélément d’amortissement pour réduire les dépassements et les oscillations. Chaqueinterrupteur est alors représenté par une inductance lorsquil est fermé et par un circuit RCsérie quand il est ouvert. Le modèle en temps discret dun interrupteur est alors obtenu aprèsla discrétisation des équations de tensions aux bornes de linductance et du circuit RC. Laméthode de discrétisation Backawrd Euler est adoptée. Plusieurs autres méthodes (ForwardEuler, Tustin...) peuvent être utilisées. Comme le montre la figure 4, quel que soit létat delinterrupteur, son modèle en temps discret est toujours équivalent à une conductance enparallèle avec une source de courant.CHCLL R EichVdcMLITempsmortCHCLVPartie puissanceCellule decommutationIGBT 1IGBT 2Diode1Diode2
  11. 11. Figure 4: Circuit ADC équivalent d’un interrupteurLa valeur de la source J de courant dépend de létat de linterrupteur et elle est donnée par lesrelations suivantes : 01 23345 243 6237é ∶ :(;) = − (; − 1) 01 23345 243 =4 23 ∶ :(;) = >. ?(; − 1) − (. >. (; − 1) Quant aux équations électriques du hacheur, elles sont déterminées à partir son circuit ADC.Le circuit ADC du hacheur (figure 5) est dabord déterminé en remplaçant chaque interrupteurpar son circuit ADC équivalent (conductance en parallèle avec une source de courant). Sur lafigure 3, JTi et JDi sont respectivement les sources de courants dans lIGBT i et dans la diode i.iTi et iDi sont respectivement les courants dans lIGBT i et dans la diode i. VTi et VDi sontrespectivement les tensions aux bornes de lIGBT i et de la diode i. La méthode danalysenodale est appliquée sur ce circuit. Les équations électriques du modèle sont alors déduites.Ces équations sont sous la forme matricielle suivante:@(;) = A(;). B+C où H est la matrice de conductance, x(k) est le vecteur des tensions de nœuds (V1et V2) et lecourant idc. b(k) est le vecteur qui contient les sources de courants JTi et JDi de chaqueinterrupteur (transistor et diode), la tension Vdc et le courant de la charge ich.Pour réduire la complexité de lalgorithme du hacheur, la valeur de la résistance est choisie defaçon à avoir une matrice de conductance constante quel que soit les états dinterrupteurs. Parconséquent, une seule opération dinversion matricielle hors ligne est nécessaire.> = > = > ⟺ ( =E( . E + %i(t) i(k)i(k)V(k)V(k)J(k)J(k)V(t)V(t)i(t)LswCswRswGON=Te /LswGOFF=Csw / (Csw.Rsw+Te)G=GONG=GOFFDiscrétisation(BackwardDiscrétisation(BackwardFerméOuver
  12. 12. Figure 5: Circuit ADC équivalent du hacheur réversible en courantUn modèle fonctionnel représentant les équations électriques du hacheur et de la charge RLEest développé sous Matlab/Simulink. Les résultats de simulation obtenus sont comparés avecceux d’un modèle de référence développé par le toolbox SimPowerSystems.La figure 6 illustre les allures des signaux de commande CH et CL avant et après introductiondu temps mort.La figure 7 montre lallure du courant de la charge. Il est clair à partir de la figure 7 que lesréponses du modèle ADC et celui de référence sont identiques. Par conséquent, le modèledéveloppé est validé. La figure 8 présente les allures des tensions et des courants dans lesIGBTs et les diodes du hacheur. Les résultats de simulation (Figures 7 et 8) sont obtenus pourune fréquence de découpage F égale à 10 kHz, une tension du bus continu Vdc égale à 600 V,une résistance R égale à 5 Ohm, une inductance L égale à 50 mH et une tension fem E égale à282.84V.JT1 JD1GT GDiT1iD1JT2JD2GT GDiT2iD2ichVdcL R EV2V1idc
  13. 13. Figure 6 : Allures des signaux de commande CH et CL avant et après introduction du tempsmortFigure 7 : Allure du courant de la chargeichtmCHCLtm
  14. 14. Figure 8 : Allures des tensions et des courants dans les IGBTs et les diodes4.3 Estimation des pertes4.3.1 Détermination de paramètres du modèle ADCLobjectif est de trouver des relations entre les paramètres du modèle ADC (Te, Lsw et Csw) etles paramètres temporels (tr, tf et trr) dune cellule de commutation (IGBT/diode). Rappelantque Rsw est déduite en fonction de Te, Lsw et Csw. Elle est choisie de façon à avoir une matricede conductance constante. Donc, elle ne peut pas être variée.Pour comprendre ces relations plusieurs abaques sont dabord déterminés. À chaque fois unseul paramètre parmi Te, Lsw et Csw est varié puis les paramètres temporels sont calculés.La figure 9 présente les abaques du temps de montée (tr), du temps de descente (tf), du tempsde recouvrement inverse (trr) et de Rsw en fonction de Csw. Ces abaques sont obtenus pour Teégale à 150µs et Lsw égale à 3µH. Ils montrent que tf , trr et Rsw sont proportionnels à Csw etque tr nest pas sensible à la variation de Csw.La figure 10 présente les abaques de tr, tf , trr et Rsw en fonction de Lsw. Ces abaques montrentque tr, tf et Rsw sont proportionnels à Lsw et que trr est inversement proportionnel à Lsw. Cesabaques sont obtenus pour Te égale à 150µs et Csw égale à 30nF.La figure 11 quant à elle, présente les abaques de tr, tf , trr et Rsw en fonction de Te. Cesabaques montrent que tr et trr sont proportionnels à Te et que tf et Rsw sont inversementproportionnels à Te. Ces résultats sont obtenus pour Lsw égale à 3µH et Csw égale à 30nF.
  15. 15. Figure 9 : Abaques de tr, tf, trr et Rsw en fonction de CswFigure 10 : Abaques de tr, tf, trr et Rsw en fonction de LswFigure 11 : Abaques de tr, tf, trr et Rsw en fonction de Te
  16. 16. Pour calculer les paramètres du modèle ADC, la méthode présentée sur lorganigramme de lafigure 12 est utilisée. Cette méthode consiste à réajuster en permanence les paramètres dumodèle ADC Te, Lsw et Csw en se basant sur les abaques déterminés jusquà obtenir lescaractéristiques du constructeur (Datasheet). Une fois les caractéristiques temporelles (tr, tf ettrr) fournies par le constructeur du module IGBT/Diode sont obtenues, les pertes peuvent êtrealors calculées. La méthode proposée est utilisée pour modéliser le module IGBT/DiodeCM50DU-24F 1200V/50A de Powerex. Pour obtenir presque les mêmes caractéristiques duconstructeur, une période déchantillonnage (Te=20ns), une inductance (Lsw=0.5µH) et unecapacité (Csw=3nF) doivent être utilisées. Le tableau 1 présente une comparaison entre lesparamètres temporels obtenus du modèle ADC et les paramètres du constructeur.Figure 12: Méthode utilisée pour déterminer les paramètres du modèle ADCInitialiserTe, Lsw, Csw, Vdc, I, Irr, vce-sat, vd-sat, tdon, tdoff,SigneRCalculerRswDiminuerTeCalculer (simulation)tr=? ; tf =? ; trr=?Compareravec datasheetCalculerPertesNégatifPositifErreur acceptableErreur non acceptableSystèmeinstableModifierLsw et Cswtf proportionnel à Cswtr proportionnel à Lswtrr proportionnel à Lsw et CswR inversementproportionnel à TeDébutFin
  17. 17. Simulation (600V, 34.5A) Datasheet (600V, 50A)tdon 100 ns 100 nstr 40 ns 50 nston 160 ns -tdoff 100 ns 300 nstf 266 ns 300 nstoff 299 ns -trr 265 ns 150 nsTableau 1: Comparaison entre les paramètres temporels du modèle ADC et du moduleIGBT/Diode CM50DU-24F de Powerex®4.3.2 Calcul des pertesLes paramètres du modèle ADC déterminés dans la partie précédente sont utilisés pourmodéliser le hacheur réversible en courant. La figure 13.a présente les allures de la tension vce,et du courant ic dans lIGBT1 du hacheur (voir figure 4) pendant la commutation à lafermeture. La figure 13.b illustre lallure de la puissance instantanée PONT et de lénergie EONTdissipées dans LIGBT1 pendant la commutation à la fermeture.Figure 13: (a) Allures de tension et du courant dans lIGBT1 pendant lamorçage (b) Alluresde la puissance instantanée et de lénergie dissipées pendant lamorçage(a)(b)VT1 iT1tdon
  18. 18. La figure 14.a présente les allures de la tension et du courant dans lIGBT1 du hacheurpendant la commutation à louverture. La figure 14.b illustre lallure de la puissanceinstantanée et de lénergie dissipées dans LIGBT1 pendant la commutation à louverture.Figure 14 : (a) Allures de la tension et du courant dans lIGBT1 pendant le blocage (b)Allures de la puissance instantanée et de lénergie dissipées dans lIGBT1 pendant le blocageLa figure 15.a présente les allures de la tension et du courant dans lIGBT1 pendant laconduction. La figure 15.b illustre lallure de la puissance instantanée et de lénergie dissipéesdans LIGBT1 pendant la conduction.La figure 16.a présente les allures de la tension et du courant dans la diode 2 pendant lacommutation à louverture. La figure 16.b illustre lallure de la puissance instantanée et delénergie dissipées dans la diode 2 pendant la commutation à louverture.La figure 17.a présente les allures de la tension et du courant dans la diode 2 pendant laconduction. La figure 17.b illustre lallure de la puissance instantanée et de lénergie dissipéesdans La diode 2 pendant la conduction.Les valeurs des énergies dissipées dans lIGBT et la diode pendant la commutation et laconduction sont données dans le tableau 2.(a)(b)VT1iT1tdoff
  19. 19. Figure 15 : (a) Allures de la tension et du courant dans lIGBT1 pendant la conduction (b)Allure de la puissance instantanée et de lénergie dissipées dans LIGBT1 pendant laconduction(a)(b)(a)(b)VT1iT1VD2iD2tdofftcon
  20. 20. Figure 16 : (a) Allures de la tension et du courant dans la diode 2 pendant la commutation àlouverture (b) Allure de la puissance instantanée et de lénergie dissipées dans la diode 2pendant la commutation à louvertureFigure 17 : (a) Allures de la tension et du courant dans la diode 2 pendant la conduction (b)Allure de la puissance instantanée et de lénergie dissipées dans La diode 2 pendant laconductionSimulation (600V, 34.5A) Datasheet (600V, 50A)EONT (IGBT) 1.20 mJ -EOFFT (IGBT) 1.48 mJ -EconT (IGBT) 4.49 mJ -EOFFD (Diode) 0.086 mJ -EconD (Diode) 1.35 mJ -Tableau 2: énergies dissipées dans lIGBT et la diode pendant la commutation et laconductionLa figure 18 présente la variation de la puissance moyenne par commutation en fonction de lafréquence de découpage. Il est clair que lorsque la fréquence augmente la puissance moyennesur une période de découpage augmente aussi.la figure 19 illustre la variation de la puissance moyenne par conduction en fonction de lafréquence de découpage. Contrairement à la puissance moyenne par commutation, lapuissance moyenne par conduction nest pas sensible à la variation de la fréquence dedécoupage.(a)(b)VD2iD2
  21. 21. Figure 18: Variation de la puissance moyenne par commutation en fonction de la fréquencede découpageFigure 19 : Variation de la puissance moyenne pendant la conduction en fonction de lafréquence de découpageLa figure 20 présente la variation de lénergie dissipée par commutation en fonction ducourant de la charge. Elle montre que lénergie dissipée pendant la commutation à lafermeture et à louverture dans un IGBT est proportionnelle au courant de la charge. ellemontre aussi que lénergie dissipée pendant la commutation à louverture dans une Diode estinversement proportionnelle au courant de la charge.La figure 21 présente la variation de lénergie dissipée par commutation en fonction ducourant de la charge. Il est clair que lénergie dissipée pendant la conduction dans un IGBT oudans une diode est proportionnelle au courant de la charge.PswTmPswDmPconTmPconDmIGBTDiodeIGBTDiode
  22. 22. Figure 20 : Variation de lénergie dissipée par commutation en fonction du courant de lachargeFigure 21 : Variation de lénergie dissipée par conduction en fonction du courant de lacharge4.4 Dimensionnement du radiateurDans la partie précédente, les pertes dissipées par le hacheur réversible en courant à base dumodule IGBT/Diode CM50DU-24F 1200V/50A de Powerex sont calculées. Lobjectif decette parie est de dimensionner le radiateur pour ce hacheur pris comme un cas détude dansce travail.4.4.1 Calcul de la résistance thermique jonction ambianceEn se basant sur les résultats des pertes obtenus, la puissance moyenne totale dissipée par unmodule IGBT/Diode CM50DU-24F de Powerex sur une période de découpage (100µs) est := + + ! + ! = 29.13 + 44.94 + 8.65 + 13.55 =96.269WCette valeur est obtenue pour une tension Vdc égale à 600V et un courant ich égale à 34.45A.Donc, la résistance thermique jonction-ambiance est égale :EONTEOFFTEOFFDEconTEconD
  23. 23. ( ) *+, =%& − % =150 − 2596.269 °E/PDou, la résistance thermique radiateur-ambiante est :( ) .+, = ( ) *+, − Q( ) *+/ + ( ) /+.R = 1.29 − (1.09 + 0.0045) = 0.195°E/P Par conséquent, pour chaque module IGBT/Diode du hacheur, il faut un radiateur derésistivité thermique égale à 0.195 °C/W.5.ConclusionDans ce travail, un modèle analytique niveau composant qui permet de modéliser lescaractéristiques dynamiques des semi-conducteurs est développé. La technique demodélisation ADC a été utilisée. Une méthode permettant de choisir les paramètres du modèleADC pour reproduire les caractéristiques dun module IGBT/Diode particulier est proposée.La méthode a été utilisée pour modéliser le module IGBT/Diode CM50DU-24F de Powerex.Un hacheur réversible en courant à base du module CM50DU-24F de Powerex est modélisé.Les pertes en commutation et en conduction sont simulées, calculées et utilisées pourdimensionner le radiateur de la maquette expérimentale du hacheur en question.

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