Conception Tridimensionnelle optimisée d'un convertisseur de traction ferroviaire à base de carbure de silicium (Sic)
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
Abstract EN:
The rail industry is focused on the benefits of using wide gap devices in traction applications. Within the framework of the European project “Shift2rail”, the potential advantages of the use of components based on silicon carbide (MOSFET SiC) in future converters are studied as well as the potential impacts on the design of power modules. Computer tools for multi-physical simulation have progressed considerably and today allow a real CAD chain, from mechanical design to complete electrical simulation, and highlighting the value of an approach resolutely oriented towards simulation and optimization. However, the desire now is to go further than simply validating a solution via simulation. The challenge is to carry out the design using a methodology based on optimization strategies using these tools. In fact, the three-dimensional layouts of the components to achieve the conversion structures have already highlighted certain structural defects such as problems of balancing the currents in dynamics during switching, which lead to having to oversize these components: these phenomena will be clearly amplified with l semiconductors as fast as SiC MOSFETs. In addition, the usual design rules from decades of experience may be ineffective or even counterproductive in the face of this technological breakthrough that constitutes the use of large gap semiconductors.The analysis of phenomena within a complex medium power converter (like those used in regional trains) is not easy given the number of components and the way they are assembled. In order to model all the connectors (DC bus bars, phase bus bars, connection bus bars) and components (filtering capacitors, semiconductors, decoupling capacitors) considering their impact when switching semiconductors, especially due to parasitic impedances, is essential when analyzing and optimizing a complex system. This thesis proposes a design methodology based on current technology (IGBT Si) of the traction system. The aim of this work is to have methods which will then make it easier to adapt to the new constraints imposed by much faster switching speeds. A detailed study of the switching cell is presented, in order to analyze how to optimally size the decoupling capacitor to be integrated as close as possible to the switching cell. From frequency and time analyzes, we will show how to improve the choice of this key component of the power circuit, often dimensioned empirically and using feedback.The dynamic balancing of currents during the parallelization of semiconductors is also addressed in this thesis. The origin of these imbalances is both due to the power interconnections, but also to the interactions between the power circuit and the control ("driver"). This study will lead us to implement an optimization to make the distribution of currents as balanced as possible by modifying the geometry of the gate and emitter circuits. However, the generic approach proposed would apply entirely to a wider integration where degrees of freedom would be left on the design of the power module, by integrating for example the decoupling capacities.
Abstract FR:
L'industrie ferroviaire se concentre sur les avantages de l'utilisation des dispositifs à grand gap dans les applications de traction. Dans le cadre du projet européen « Shift2rail », les avantages potentiels de l'utilisation des composants à base de carbure de silicium (MOSFET SiC) dans les futurs convertisseurs sont étudiés ainsi que les impacts potentiels sur la conception des modules. Les outils informatiques de simulation multi physique ont beaucoup progressé et permettent aujourd'hui une véritable chaîne de CAO, allant de la conception mécanique jusqu'à la simulation électrique complète, et en mettant en valeur l'intérêt d'une approche résolument orientée vers la simulation et l'optimisation. Cependant le désir est maintenant d'aller plus loin que la simple validation d'une solution via la simulation. L'enjeu est d'effectuer la conception via une méthodologie se basant sur des stratégies d'optimisation utilisant ces outils. En effet les implantations tridimensionnelles des composants pour réaliser les structures de conversion ont déjà mis en évidence certains défauts structurels comme des problèmes d'équilibrage des courants en dynamiques lors des commutations, qui conduisent à devoir surdimensionner ces composants : ces phénomènes seront clairement amplifiés avec l'usage de semiconducteurs aussi rapides que les MOSFETs SiC. Par ailleurs, des règles de dimensionnement usuelles issues de dizaines d'années d'expériences peuvent se retrouver inefficaces voire contre-productives face à cette rupture technologique que constitue l'emploi de semiconducteurs à grand gap.L’analyse des phénomènes au sein d’un convertisseur complexe de moyenne puissance (comme ceux utilisés dans les trains régionaux) n’est pas évidente vu le nombre des composants et la manière comme ils sont assemblés. Modéliser l’ensemble des connectiques (bus bars DC, bus bar de phase, bus bars de liaisons) et composants (condensateurs de filtrage, semi-conducteurs, condensateurs de découplage) en prenant en compte leur impact lors de la commutation des semi-conducteurs, notamment dû aux impédances parasites, est essentiel lors de l’analyse et de l’optimisation d’un système complexe. Cette thèse propose une méthodologie de conception basée sur la technologie actuelle (IGBT Si) du système de traction. Le but de ce travail est d’avoir des méthodes qui permettront alors de s’adapter plus facilement aux nouvelles contraintes imposées par des vitesse de commutations bien plus rapides. Une étude détaillée de la cellule de commutation est présentée, afin d'analyser comment dimensionner de manière optimale le condensateur de découplage à intégrer au plus près de la cellule de commutation. A partir d'analyses fréquentielles et temporelles, nous montreront comment améliorer le choix de ce composant clé du circuit de puissance, souvent dimensionné empiriquement et à l'aide de retour d’expérience.L’équilibrage dynamique des courants lors de la mise en parallèle des semi-conducteurs est aussi abordé dans cette thèse. L'origine de ces déséquilibres est à la fois due aux interconnexions de puissance, mais également aux interactions entre le circuit de puissance et la commande ("driver"). Cette étude nous amènera à mettre en œuvre une optimisation pour rendre la répartition des courants la plus équilibrée possible en modifiant la géométrie des circuits de grilles et d’émetteurs. Cependant l'approche générique proposée s'appliquerait tout à fait à une intégration plus large où des degrés de liberté seraient laissés sur la conception du module de puissance, en intégrant par exemple les capacités de découplage.