Brevet FR2946477A1 — publié le 20101210

Procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance La présente invention se rapporte à un procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance électrique par exemple de type variateur de vitesse. L'invention concerne également un système destiné à la gestion de la température dans le convertisseur de puissance électrique. Un convertisseur de puissance électrique de type variateur de vitesse comporte un ou plusieurs dispositifs semi-conducteurs de puissance de type transistor IGBT, MOSFET ou JFET permettant de fournir une tension pulsée à une charge électrique. Typiquement, les dispositifs semi-conducteurs sont enfermés dans un boîtier ("baseplate" en anglais). Un dissipateur thermique ("heatsink" en anglais) monté sur le boîtier permet de dissiper la chaleur dégagée par les dispositifs en fonctionnement. De manière connue, chaque dispositif semi-conducteur de puissance est caractérisé par la température de sa jonction. Les transistors sont les composants les plus importants et les plus chers employés dans un variateur de vitesse et il est donc nécessaire de les préserver. Pour cela, la température absolue de leur jonction ne doit pas dépasser une valeur limite spécifiée par le fabricant et la température de la jonction par rapport au boîtier doit également être maintenue sous une valeur limite. Par exemple, si le dispositif semi-conducteur est en silicium, la valeur limite de la température absolue de la jonction est de 150°C. Par ailleurs, pour obtenir une durée de vie suffisante quand le dispositif est soumis à des cycles de puissance, la valeur limite de la température de la jonction par rapport au boîtier peut être limitée à 65°C. Si l'une de ces valeurs limites est dépassée, le composant semi-conducteur se dégrade ce qui peut entraîner des dysfonctionnements importants dans le variateur de vitesse. Comme les dispositifs semi-conducteurs de puissance se trouvent intégrés dans des variateurs de plus en plus compacts, la dissipation thermique est de plus en plus difficile et la marge entre les températures de fonctionnement normales des dispositifs et les valeurs limites se trouve de plus en plus restreinte. Par conséquent il est nécessaire de mettre en oeuvre dans le variateur une gestion de la température afin d'éviter toute surchauffe. Un moyen classique de déterminer la température de la jonction d'un dispositif semi-conducteur consiste à calculer en temps réel la puissance dissipée dans le dispositif semi-conducteur et à l'injecter dans un filtre d'ordre n qui modélise le comportement thermique du composant semi-conducteur. Dans un variateur de vitesse qui comporte par exemple six dispositifs semi-conducteurs, le calcul doit être effectué pour chacun des dispositifs. Selon la fréquence du courant de sortie du convertisseur, le calcul devra être effectué très fréquemment et pour les six dispositifs en même temps. Des procédés de gestion de la température des dispositifs semi-conducteurs utilisés dans un variateur de vitesse ont déjà été proposés dans l'art antérieur. Le document EP0792008 décrit une méthode et un appareil pour protéger les dispositifs semi-conducteurs de puissance d'un variateur. La méthode consiste à calculer les pertes calorifiques des dispositifs et l'augmentation de la température de la jonction. Si l'augmentation de la température est supérieure à une valeur limite déterminée, les fréquences de commutation des dispositifs semi-conducteurs sont ajustées de manière à réduire le courant de sortie du variateur. Le document JP2005143232 décrit également une méthode de gestion de la température des dispositifs semi-conducteurs de puissance dans un variateur de vitesse. Cette méthode consiste à commander le flux de courant à travers le variateur en fonction de la température de la jonction des dispositifs. Le document US 5,923,135 décrit un appareil de commande d'un moteur électrique comportant un circuit de commande doté de plusieurs dispositifs semi-conducteurs. Cet appareil comporte en outre des moyens d'estimation de la température de la jonction des composants de chaque dispositif à partir d'une température mesurée, des moyens pour comparer la température de la jonction obtenue avec une valeur limite et des moyens pour ajuster la sortie du circuit de commande en vue de réguler la température de la jonction à une valeur inférieure ou égale à la valeur limite autorisée. Ce document propose notamment un modèle thermique pour chaque dispositif. Le but de l'invention est de proposer un nouveau procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance. Ce procédé ne nécessite pas de recourir à des calculs complexes et pourra être mis en oeuvre dans le convertisseur sans contrainte de temps spécifique. Ce but est atteint par un procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance électrique, ledit convertisseur délivrant un courant de sortie à destination d'une charge électrique et comportant au moins un dispositif semi-conducteur de puissance monté sur un dissipateur thermique, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste notamment à : - mesurer la fréquence du courant en sortie du convertisseur, - prévoir une température crête de la jonction dans le dispositif semi- conducteur à la fréquence du courant mesuré en sortie du convertisseur, ladite température crête de la jonction étant déterminée à partir d'une température moyenne de la jonction du dispositif semi-conducteur et d'un facteur de crête mémorisé fonction de ladite fréquence du courant mesuré en sortie du convertisseur, 1 o comparer la température crête de la jonction obtenue à une température de référence de la jonction et contrôler le convertisseur en fonction du résultat de la comparaison. Selon une particularité, la température crête de la jonction, la température moyenne de la jonction et la température de référence de la jonction sont définies de 15 manière relative par rapport à la température du dissipateur. Selon une autre particularité, la température crête de la jonction du dispositif par rapport au dissipateur est calculée par la relation suivante : DTjh_pic = (1+pic_ratio) * DTjh_ avg dans laquelle : 20 - DTjh_pic correspond à la température crête de la jonction par rapport au dissipateur, - DTjh_avg correspond a la température moyenne de la jonction par rapport au dissipateur, - pic ratio correspond au facteur de crête. 25 Selon une autre particularité, la température moyenne de la jonction est déterminée à partir des pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur. Selon une autre particularité, les pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur de puissance dans un convertisseur de 30 puissance sont déterminées à partir des valeurs du courant crête, de la fréquence de commutation, du type de modulateur de la commande MLI du convertisseur, de la valeur de l'index de modulation, du facteur de puissance, de la tension mesurée sur le bus du convertisseur, de la fréquence du courant de sortie du convertisseur. Selon une autre particularité, contrôler le convertisseur pour limiter l'élévation de la température de la jonction consiste à agir sur la fréquence de commutation des dispositifs semi-conducteurs ou sur le courant de sortie du convertisseur. L'invention concerne également un système de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance qui comporte plusieurs dispositifs semi-conducteurs aptes à fournir une tension ou un courant pulsé à destination d'une charge électrique connectée au convertisseur, le système comprenant des moyens de traitement associés à une mémoire et à des moyens de commande pour réguler la température de la jonction des dispositifs semi-conducteurs, le système étant caractérisé en ce qu'il est susceptible de mettre en oeuvre le procédé de commande défini dans l'une des revendications précédentes. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et 15 représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un schéma du principe de fonctionnement de l'invention, la figure 2 représente la structure classique d'un dispositif semi-conducteur, la figure 3 illustre la variation de la température de la jonction d'un dispositif semi-conducteur en fonction du temps lorsque le courant de sortie du convertisseur est à une fréquence de 50 Hz ou 5Hz, la figure 4 représente la courbe de variation du facteur de crête en fonction de la fréquence du courant de sortie du convertisseur, la figure 5 représente schématiquement un variateur de vitesse comportant trois cellules de commutation. Dans la suite de la description, on considérera qu'un dispositif semi-conducteur de puissance comporte un composant semi-conducteur de type transistor, 30 par exemple IGBT, MOSFET, JFET et éventuellement une diode de roue libre. Dans la suite de la description, on considérera que la jonction du dispositif correspond à la jonction du transistor inclus dans le dispositif. 20 25 Classiquement, en référence à la figure 2, un dispositif semi-conducteur 10 de puissance se présente dans un boîtier plastique doté d'une semelle ou base 100 métallique, par exemple en cuivre. Le composant 101 en matériau semi-conducteur, appelé également puce, repose sur un substrat céramique 102, par exemple l'alumine ou le nitrure d'aluminium, chargé de l'isolation électrique avec la base 100. La base 100 du dispositif est rendue solidaire d'un dissipateur 103 par l'intermédiaire de vis, une graisse 104 ou film thermique étant inséré entre la base 100 et le dissipateur 103. Une variante de réalisation du dispositif semi-conducteur consiste à se passer de la base métallique 100 et à fixer directement le composant 101 sur le dissipateur. De manière connue, le dispositif semi-conducteur 10 est caractérisé par la température de la jonction du composant. La température de la jonction peut être dite absolue ou dite relative lorsqu'elle est définie par rapport à la température du boîtier ou du refroidisseur. Lorsque la température de la jonction est relative, elle correspond donc à l'écart de température entre la jonction et la référence, la référence étant par exemple le dissipateur 103. La température du dissipateur 103 est mesurée directement ou indirectement à l'aide d'un capteur SN, par exemple positionné sur le dissipateur 103. Dans la suite de la description, on fait référence à la température relative de la jonction par rapport au dissipateur 103. Bien entendu, il faut comprendre que l'invention s'applique de la même manière à la température absolue de la jonction, celle-ci n'étant que la somme de la température relative de la jonction et de la température mesurée sur le dissipateur 103 à l'aide du capteur SN. L'invention consiste à mettre en oeuvre un procédé de commande destiné à la gestion de la température dans le convertisseur de puissance afin de préserver les dispositifs semi-conducteurs de puissance utilisés dans le convertisseur. Le convertisseur de puissance peut être par exemple un variateur de vitesse, un filtre actif, un convertisseur DC-DC, un redresseur actif... Dans la suite de la description, on s'intéresse plus particulièrement à la mise en oeuvre du procédé de commande dans un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse 1. Un variateur de vitesse 1 représenté en figure 5, comporte typiquement un étage redresseur (non représenté), un condensateur de bus (non représenté) et un étage onduleur. L'étage onduleur comporte n cellules de commutation, par exemple trois cellules de commutation Cl, C2, C3, portant chacune 2n dispositifs semi-conducteurs. Chaque dispositif semi-conducteur comporte notamment un transistor par exemple de type IGBT (T1-T6) et éventuellement une diode de roue libre (D1-D6). Les dispositifs sont par exemple tous fixés sur un dissipateur 103 commun situé à l'arrière de la carcasse du variateur. La structure d'un variateur étant parfaitement connue de l'Homme du métier, elle n'est donc pas décrite plus en détails. Le procédé de commande de l'invention est mis en oeuvre grâce à un système intégré au variateur 1 comportant des moyens de traitement 4 associés à au moins une mémoire 40 et aptes à agir sur des moyens de commande des dispositifs pour effectuer la régulation de la température. Ces moyens de traitement 4 comportent notamment des moyens de calcul 41 pour mettre en oeuvre le procédé de commande décrit ci-dessous. Le système comporte en outre des moyens de mesure du courant en sortie du convertisseur à destination de la charge et des moyens pour déterminer la fréquence de ce courant. Les considérations suivantes permettent de mieux comprendre l'objet de l'invention : La variation de température entre la jonction et le dissipateur dans le dispositif semi-conducteur peut être modélisée par un filtre électrique passe bas d'ordre n dans lequel n représente le nombre d'impédances thermiques séparant la jonction et le dissipateur. Le courant périodique de sortie d'une cellule de commutation produit des pertes moyennes dans une cellule de commutation qui sont de même valeur quelle que soit la fréquence du courant de sortie du convertisseur. Le rapport entre la valeur crête de la température de la jonction et la valeur moyenne de la température de la jonction est constant. Pour une fréquence du courant de sortie Fstat déterminée, le rapport entre la valeur crête de la température de la jonction et sa valeur moyenne est donc constant quel que soit le niveau du courant de sortie du convertisseur. En référence à la figure 3, on remarque que l'ondulation de la température de la jonction d'un transistor IGBT augmente lorsque la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur (appelée également fréquence statorique) baisse (Fstat = 5Hz ou 50Hz sur la figure 3). Il est ainsi possible d'estimer la valeur crête de la température de la jonction à la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur. Pour cela, l'invention consiste à définir un facteur de crête Pic_ratio permettant d'obtenir directement une température maximale théorique de la jonction à la fréquence Fstat du courant de sortie mesurée. Ce facteur de crête (Pic_ratio) s'exprime par la relation suivante : 7 Pic ratio = DTjh_picùDTjh_avg DTjh_ avg Dans cette relation, il est possible de connaître en temps réel le facteur de crête Pic_ratio et la température moyenne de la jonction par rapport au dissipateur DTjh_avg. Il est donc possible de prévoir la température crête de la jonction par rapport au dissipateur DTjh_pic. Le facteur de crête Pic_ratio varie selon la courbe représentée en figure 4. Cette courbe montre la variation du facteur de crête en fonction de la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur. Cette courbe est indépendante de la valeur du courant de sortie, de la fréquence Fs de commutation du transistor, de l'index de modulation et du cos phi. Le facteur de crête Pic_ratio ne dépend que de la fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur. Dans le convertisseur, les valeurs du facteur de crête Pic_ratio sont chacune associées à une fréquence Fstat du courant de sortie du convertisseur et mémorisées dans le convertisseur. Les valeurs du facteur de crête sont déterminées préalablement à partir des spécifications des fournisseurs. Le courant de sortie du convertisseur est mesuré grâce aux moyens de mesure et selon la valeur de la fréquence Fstat de ce courant de sortie, le convertisseur applique un facteur de crête Pic_ratio déterminé afin de prévoir la température crête de la jonction du dispositif. La température moyenne de la jonction d'un dispositif semi-conducteur par rapport au dissipateur DTjh_avg se détermine à partir des pertes moyennes en commutation Psw et en conduction Pcon du transistor et de la diode. Le calcul de la valeur moyenne des pertes dans un dispositif semi-conducteur comportant un transistor de type IGBT et une diode de roue libre est effectué de la manière suivante : ( 2 P - 0.5 V Iopi 2 c +1 1 opic +ffi cos • ~Viceo Iopic ' +1-ce opic 4 con IGBT ce0 ce 8 2 2 _ 1 opic ~opic 1opic 'opic Pcon_diode = 0.5. (VfO +rf 4 8 -111' cos • (VfO . +rf ' 3n FS 1opic Vdc Psw IGBT ù (Eon + Eoff) . ~MLI F Psw diode s opic MLI Dans lesquels : Pcon IGBT représente les pertes en conduction du transistor IGBT, PSW IGBT représente les pertes en commutation du transistor IGBT, - Pcon diode représente les pertes en conduction de la diode, - Psw diode représente les pertes en commutation de la diode, Vdo est la tension mesurée sur le bus continu du variateur de vitesse, VCeo, Vfo, roe et rf sont des paramètres statiques d'un transistor IGBT (T1-T6) et de la diode de roue libre (D1-D6), tels que sa tension seuil et sa résistance. - FS est la fréquence de commutation du transistor IGBT du dispositif, - m est le modulateur de la commande MLI, Vrated et Irated sont respectivement la tension nominale et l'intensité nominale du moteur, EON, EOFF et Err sont les énergies de commutation du transistor IGBT précisées dans les spécifications du dispositif au courant nominal Irated et à la tension nominale Vrated, lop;o est le courant crête moteur calculé à partir de mesures des courants moteur sur les trois phases, kML, est un facteur exprimant le type de modulateur de la commande MLI employée. La valeur de lopic qui représente la valeur crête du courant présent dans l'un des six transistors est calculée selon la moyenne quadratique des courants de sortie instantanés sur les trois phases U, V, W : IOpicû~3IU+IV+IW~ On en déduit que la température moyenne de la jonction du dispositif semi-conducteur par rapport au dissipateur DTjh_avg peut s'exprimer par la relation suivante : DTjh_IGBT_avg ù(con_IGBT +sw_IGBT).Rthjc_ IGBT +Pcon _IGBT +Psw _IGBT +Pcon _diode +Psw _diode) Rthch Dans laquelle : - RthjcIGBT représente la résistance thermique entre la jonction et le boîtier, - Rthch représente la résistance thermique entre le boîtier et le dissipateur. 30 Bien entendu, selon la technologie du dispositif semi-conducteur employée, la relation reproduite ci-dessus peut être adaptée. La température moyenne de la jonction du dispositif par rapport au dissipateur 103 peut donc être calculée à partir d'une équation polynomiale dans laquelle on injecte les valeurs du courant crête lopic, de la fréquence de commutation Fs, de la valeur de l'index de modulation m de la commande MLI, du type de modulateur de la commande MLI utilisée exprimé par le facteur kML,, du facteur de puissance Pf, de la tension mesurée sur le bus Vdc, de la fréquence du courant de sortie du convertisseur Fstat. La température crête de la jonction par rapport au dissipateur s'exprime donc par la relation suivante : DTjh_pic = (1+pic_ratio) * DTjh_avg 15 La température crête de la jonction par rapport au dissipateur DTjh_pic qui est obtenue après calcul lors de l'étape El est comparée par rapport à une valeur de référence DTjh_ref lors d'une étape E2. Cette valeur de référence DTjh_ref est déterminée par rapport à la température Th du dissipateur lors d'une étape E3. Plus la 20 température Th du dissipateur a une valeur faible et plus la référence de la température de la jonction est importante. En fonction de la comparaison effectuée, lors d'une étape E4, le convertisseur peut effectuer des actions de régulation et de contrôle connues si cette température 25 crête est trop élevée. Ces actions permettant de limiter l'élévation de la température crête consistent par exemple à : agir sur la fréquence de découpage (Fs) ou agir sur le courant de sortie, déclencher une alarme et stopper le variateur si aucune autre action ne peut être menée (Fault). 30 Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS1. Procédé de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance électrique, ledit convertisseur délivrant un courant de sortie à destination d'une charge électrique et comportant au moins un dispositif semi-conducteur de puissance (10) monté sur un dissipateur thermique (103), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste notamment à : mesurer la fréquence du courant en sortie du convertisseur, prévoir une température crête de la jonction (DTjh_pic) dans le dispositif semi-conducteur (10) à la fréquence (Fstat) du courant mesuré en sortie du convertisseur, ladite température crête de la jonction (DTjh_pic) étant déterminée à partir d'une température moyenne de la jonction (DTjh_avg) du dispositif semi-conducteur et d'un facteur de crête (Pic ratio) mémorisé fonction de ladite fréquence du courant mesuré en sortie du convertisseur, comparer la température crête de la jonction (DTjh_pic) obtenue à une température de référence de la jonction (DTjh_ref) et contrôler le convertisseur en fonction du résultat de la comparaison. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température crête de la jonction, la température moyenne de la jonction et la température de référence de la jonction sont définies de manière relative par rapport à la température (Th) du dissipateur (103). 3. Procédé de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température crête de la jonction du dispositif par rapport au dissipateur (103) est calculée par la relation suivante : DTjh_pic = (1 +pic_ratio) * DTjh_ avg dans laquelle : - DTjh_pic correspond à la température crête de la jonction par rapport au dissipateur, - DTjh_avg correspond a la température moyenne de la jonction par rapport au dissipateur, - pic ratio correspond au facteur de crête. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température moyenne de la jonction est déterminée à partir des pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pertes moyennes en conduction et en commutation du dispositif semi-conducteur de puissance (10) dans un convertisseur de puissance sont déterminées à partir des valeurs du courant crête (lopic), de la fréquence de commutation (Fs), du type de modulateur de la commande MLI du convertisseur (kML,), de la valeur de l'index de modulation (m), du facteur de puissance (Pf), de la tension mesurée sur le bus du convertisseur (Vdc), de la fréquence du courant de sortie du convertisseur (Fstat). 6. Procédé de commande selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que contrôler le convertisseur pour limiter l'élévation de la température de la jonction consiste à agir sur la fréquence de commutation (Fs) des dispositifs semi-conducteurs ou sur le courant de sortie du convertisseur. 7. Système de commande destiné à la gestion de la température dans un convertisseur de puissance qui comporte plusieurs dispositifs semi-conducteurs (10) aptes à fournir une tension ou un courant pulsé à destination d'une charge électrique connectée au convertisseur, le système comprenant des moyens de traitement (4) associés à une mémoire (40) et à des moyens de commande pour réguler la température de la jonction des dispositifs semi-conducteurs, le système étant caractérisé en ce qu'il est susceptible de mettre en oeuvre le procédé de commande défini dans l'une des revendications précédentes.20