INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Le système de communication comporte au moins un réseau de communication par courants porteurs en ligne PLCN (« PowerLine Communications Network » en anglais) 100, simplement dénommé réseau PLCN 100 par la suite, déployé de manière logique sur un réseau d’alimentation électrique. Le réseau PLCN 100 permet la mise en place d’un système de gestion automatisée de comptage AMM dans le cadre des services de distribution électrique.
Le système de communication comporte une pluralité de dispositifs nœuds particuliers, appelés concentrateurs de données DC 110 et 112. Le réseau PLCN 100 est destiné à permettre de connecter une pluralité de dispositifs nœuds aux concentrateurs de données DC 110 et 112. Les dispositifs nœuds que le réseau PLCN 100 vise à connecter aux concentrateurs de données DC 110 et 112 sont des compteurs électriques intelligents SEM (« smart electricity meters » en anglais) 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 135, 136. Plus précisément, les compteurs électriques intelligents 121 à 124 sont connectés au concentrateur de données 110 et les compteurs électriques intelligents 131 à 136 sont connectés au concentrateur de données 112. Les concentrateurs de données implémentent des fonctions de coordination et accordent aux compteurs un accès au réseau après authentification. Le réseau PLCN 100 permet ainsi d’établir des communications par courants porteurs en ligne (« powerline communications » en anglais), afin que les concentrateurs de données DC 110 et 112 puissent notamment procéder automatiquement à des opérations de collecte de relevés de comptage de consommation électrique, ledit comptage étant effectué par les compteurs électriques intelligents vis-à-vis d’installations électriques que lesdits compteurs électriques intelligents sont respectivement en charge de superviser. Le réseau PLCN 100 permet en outre aux concentrateurs de données DC 110 et 112 de procéder à des opérations de mise à jour applicative auprès des compteurs électriques intelligents, et d’une manière générale, de contrôler à distance lesdits compteurs électriques intelligents. Les communications par courants porteurs en ligne via le réseau PLCN 100 sont par exemple conformes au protocole G3-PLC. En variante, les communications par courants porteurs en ligne via le réseau PLCN 100 sont conformes aux spécifications PRIME (« PoweRline Intelligent Metering Evolution » en anglais, telles que définies dans le document normatif ITU G.9904). Ces protocoles construisent un réseau de communication logique PAN (acronyme anglais de « Personal Area Network »), superposé au réseau électrique physique.
Le système de communication comporte en outre une entité de gestion SI (non représentée sur la ) du système de gestion automatisée de comptage AMM qui est notamment en charge de traiter de manière centralisée les relevés de comptage. L’entité de gestion SI du système de gestion automatisée de comptage AMM prend par exemple la forme d’un serveur, ou d’un ensemble de serveurs, auquel les concentrateurs de données DC 110 et 112 sont connectés via des liens de communication filaire ou sans-fil, par exemple de type GPRS (« General Packet Radio Service » en anglais), UMTS (« Universal Mobile Telecommunication System » en anglais) ou LTE (« Long-Term Evolution » en anglais).
Les concentrateurs de données DC 110 et 112 effectuent les opérations de collecte de relevés de comptage pour le compte de l’entité de gestion SI auprès de laquelle ils sont identifiés grâce à un identifiant réseau PAN-ID (acronyme anglais de « Personal Area Network IDentifier »), e.g. de 16 bits, qui leur est propre et qui leur est attribué statiquement par l’utilisateur final. En d’autres termes, le concentrateur de données DC 110 collecte les relevés de comptage auprès des compteurs électriques intelligents qui lui sont connectés ( i.e. les compteurs électriques intelligents 121 à 124 du réseau PLCN 100), puis fournit lesdits relevés à l’entité de gestion SI pour traitement.
De la même manière, le concentrateur de données DC 112 collecte les relevés de comptage auprès des compteurs électriques intelligents qui lui sont connectés ( i.e. les compteurs électriques intelligents 131 à 136 du réseau PLCN 100), puis fournit lesdits relevés à l’entité de gestion SI pour traitement. Les concentrateurs de données DC 110 et 112 gèrent les éventuels besoins de retransmission au sein du réseau PLCN 100 pour assurer un bon déroulement des opérations de collecte de relevés de comptage. Il est à noter qu’un compteur peut être relié à un concentrateur de données par l’intermédiaire d’autres compteurs servant alors de relais. En effet, la taille du réseau électrique et ses caractéristiques ne permettent pas à tous les compteurs de transmettre un message directement à un concentrateur de données. Il est donc nécessaire d’utiliser certains compteurs comme relais.
Dans la suite du document, les termes « compteur électrique intelligent » et « compteur » sont utilisés de manière interchangeable. De même, les termes « connecté » et « rattaché » sont utilisés de manière interchangeable.
La illustre schématiquement un exemple d’architecture matérielle d’un compteur électrique intelligent 200 utilisé dans le système de communication de la .
Selon l’exemple d’architecture matérielle représenté à la , le compteur électrique intelligent 200 comprend alors, reliés par un bus de communication 210 : un processeur ou CPU (« Central Processing Unit » en anglais) 201; une mémoire vive RAM (« Random Access Memory » en anglais) 202; une mémoire morte ROM (« Read Only Memory » en anglais) 203; une unité de stockage 204 telle qu’un disque dur ou telle qu’un lecteur de support de stockage, e.g. un lecteur de cartes SD (« Secure Digital » en anglais); au moins une interface de communication 205 permettant au compteur d’envoyer des informations vers un concentrateur de données ou, le cas échéant, d’en recevoir.
Le processeur 201 est capable d’exécuter des instructions chargées dans la RAM 202 à partir de la ROM 203, d’une mémoire externe (non représentée), d’un support de stockage (tel qu’une carte SD), ou d’un réseau de communication. Lorsque le compteur électrique intelligent 200 est mis sous tension, le processeur 201 est capable de lire des instructions dans la RAM 202 et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d’ordinateur causant la mise en œuvre, par le processeur 201, de tout ou partie des procédés décrits ci-après en relation avec les Figs. 3 à 5.
Les procédés décrits ci-après en relation avec les Figs. 3 à 5 peuvent être implémentés sous forme logicielle par exécution d’un ensemble d’instructions par une machine programmable, par exemple un DSP (« Digital Signal Processor » en anglais) ou un microcontrôleur, ou être implémentés sous forme matérielle par une machine ou un composant dédié, par exemple un FPGA (« Field-Programmable Gate Array » en anglais) ou un ASIC (« Application-Specific Integrated Circuit » en anglais). Ainsi, le compteur électrique intelligent 200 comporte de la circuiterie électronique configurée pour implémenter les procédés et étapes décrits ci-après en relation avec les Figs. 3 à 5.
La illustre schématiquement un procédé de connexion d’un compteur à un concentrateur de données selon l’état de l’art.
Lors d’une étape S300, le compteur cherchant à se connecter à un concentrateur de données diffuse (« broadcast » en anglais) au moins une trame de balise (« beacon frame » en anglais) BeaconRequest afin de découvrir son environnement proche. Cette trame de balise BeaconRequest indique qu’il souhaite se connecter à un concentrateur de données. Cette trame de balise BeaconRequest est reçue par des compteurs et concentrateurs de données voisins, i.e. des dispositifs en mesure de recevoir et décoder avec succès les BeaconRequest envoyés. Ils y répondent en envoyant à leur tour une trame de balise BeaconResponse qui comprend le PAN-ID et l’adresse MAC courte (i.e. une adresse temporaire sur 16 bits (l’adresse MAC complète faisant 64 bits) attribuée par le DC) qui leur a été attribuée. Il est à noter que les compteurs déjà authentifiés auprès d’un concentrateur de données sont aussi susceptibles de répondre au BeaconRequest . Ils proposent leurs services en tant qu’« Agent » pour relayer la demande d’authentification vers le concentrateur de de données auquel ils sont rattachés.
Lors d’une étape S302, le compteur reçoit une réponse Beacon Response d’au moins une partie des compteurs ou concentrateurs de données voisins ayant reçu la trame de balise BeaconRequest . Il est à noter que certains compteurs ou concentrateurs de données voisins ayant reçu la trame de balise BeaconRequest ont pu envoyer une réponse qui n’est jamais parvenue au compteur. Ainsi, les réponses reçues permettent au compteur de connaître son environnement proche et notamment de connaître les concentrateurs de données voisins auxquels il est susceptible de se connecter soit directement, soit par l’intermédiaire d’un compteur intervenant en tant que « Agent », i.e. servant de relai entre le compteur ayant émis le BeaconRequest et le concentrateur de données.
Lors d’une étape S304, le compteur sélectionne l’un des compteurs ou concentrateurs de données voisins desquels il a reçu une réponse. Par exemple, le compteur sélectionne le compteur ou concentrateur de données voisin avec lequel la qualité de signal reçu, estimée sur le BeaconResponse est la meilleure.
Lors d’une étape S306, le compteur se connecte au concentrateur de données voisin sélectionné. Cette étape comprend généralement l’authentification du compteur par échange de données d’identification entre le compteur et le concentrateur de données au besoin au travers de compteurs servant de relais. Par exemple, dans le cas de la norme G3-PLC, le protocole d’authentification EAP-PSK est mis en œuvre. Une fois, le compteur authentifié, le concentrateur de données lui donne accès au réseau qu’il coordonne et le compteur peut alors échanger des données avec lui.
Le détecteur d’enveloppe, qui est ici réalisé en numérique, pourrait tout aussi bien être réalisé en analogique, et donc positionné en amont du CAN.
Les valeurs de capacité du premier condensateur C1 et du deuxième condensateur C2 pourraient être différentes de celles données ici. De même, la valeur de la résistance R pourrait être modifiée en l’augmentant typiquement.
La fréquence du signal de test pourrait être également modifiée, auquel cas il faudrait adapter le seuil de détection prédéterminé à schéma équivalent. Le seuil de détection prédéterminé pourrait être paramétrable.
Le driver n’est pas obligatoire. En particulier, si le module générateur qui génère le signal de test (ici le microcontrôleur applicatif) est capable de fournir suffisamment de courant, le driver n’est pas nécessaire.
Le microcontrôleur dans lequel est mise en œuvre l’invention n’est pas nécessairement le microcontrôleur applicatif mais pourrait être un composant distinct.
PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE L’ETAT DE SANTE DE COMPOSANTS ELECTRONIQUES A SEMI-CONDUCTEURS DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif de mesure de l’état de santé de composants électroniques.
Plus précisément, l’invention se rapporte à un procédé de suivi de la dégradation par fatigue thermique de composants électroniques de puissance à semi-conducteurs pouvant être bipolaires, tels que les diodes de puissance, ou mixtes tels que les composants IGBT (transistor bipolaire à grille isolée, « Insulated Gate Bipolar Transistor »).
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les composants électroniques utilisés dans le domaine de l’électronique de puissance permettent de gérer l’énergie électrique ou de réaliser une conversion d’énergie électrique. Les utilisations de ces composants sont très variées. On les retrouve notamment dans les véhicules électriques (voiture électrique, bus, train, métro, …) ou dans le domaine de la production d’énergie renouvelable, par exemple dans les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques, mais aussi les réseaux de transport et embarqués (« Flexible Alternating Current Transmission System » ( FACTS ou encore système de transmission flexible en courant alternatif) , Smart Grids.), la variation de vitesse, ainsi que des applications pour un public plus large (électroménager, informatique…).
Ils sont utilisés dans de très larges gammes de puissance et sont le plus souvent soumis à un cyclage en température d’amplitude éventuellement importante.
La fatigue thermique liée à leurs conditions d’utilisation est le principal facteur de vieillissement des composants de puissance.
Ce phénomène de vieillissement thermique peut être compris à l’aide de l’exemple qui suit.
Un module IGBT, qui fait partie de la catégorie des composants électroniques à semi-conducteurs mixtes, est représenté sur la . On peut observer sur cette figure que la puce est connectée aux bornes de connexion vers l’extérieur du module par l’intermédiaire d’un fil de liaison (ou fil de « bonding ») en métal, par exemple en aluminium.
Lors du fonctionnement du module, la température des différents éléments qui le constituent a tendance à varier, cycliquement ou non, avec une amplitude qui peut atteindre plusieurs dizaines de degrés.
Les coefficients de dilatation thermique de ces éléments étant différents, les variations de température provoquent des déformations différentes de ces éléments. Ceci peut alors induire des fissures dans l’un ou l’autre de ces éléments, notamment le fil de « bonding », voire une rupture de l’association entre deux de ces éléments, par exemple au niveau de l’interface puce – fil de « bonding ».
Ces différents phénomènes se traduisent dans un premier temps par une dégradation des performances du composant, notamment en termes de rendement énergétique, et dans un second temps par une défaillance du composant.
Ainsi, le suivi de santé reflète l’état des interconnexions électroniques. Il est donc localisé permettant de réparer l’interconnexion dégradée ou de remplacer le composant concerné.
L’invention se rapporte aussi à un dispositif de mesure de l’état de santé à un instant t d’au moins un composant électronique de puissance à semi-conducteurs, comportant au moins une borne d'entrée et une borne de sortie du courant électrique d’une intensité I, entre lesquelles s’établit une tension électrique V, le composant électronique présentant un point de coefficient de température nul ZCP indépendant de la température, le dispositif comprenant un capteur d’intensité de courant électrique, un capteur de tension électrique et un processeur échangeant des informations avec lesdits capteurs, configurés pour la mise en œuvre des étapes suivantes : a- une première étape de détermination , à un instant initial t0, d’une première intensité I,ZCP(t0) lorsque la tension V est égale à une tension V,ZCP0, le composant électronique de puissance étant dans un état « instant initial » b- une deuxième étape de mesure d’une deuxième intensité I,ZCP(t1) à au moins un instant t1 ultérieur, lorsque la tension V à l’instant t1 est égale à la tension V,ZCP0, le composant électronique de puissance étant dans un état « instant t1 » ; c- une étape de calcul par le processeur d’un indicateur quantitatif D de la dégradation du composant électronique de puissance et dont la valeur est une fonction de la variation de la valeur de l’intensité I,ZCP(t) entre l’état « instant initial » et l’état « instant t1 ».
Grâce à ces dispositions, le dispositif peut être disposé à l’intérieur d’un système pour suivre l’état de santé en continu d'un ou de plusieurs composants et il ne comprend pas nécessairement de capteur de température.
Selon une réalisation du dispositif de mesure, l’au moins un composant électronique de puissance à semi-conducteurs est bipolaire ou mixte.
Ainsi, le dispositif de mesure permet d’étudier l’état de santé de composants électroniques complexes.
L’invention se rapporte également à un module électronique de puissance intégrant un dispositif de mesure pour au moins deux composants électroniques en parallèle et/ou série.
Ainsi, le dispositif de mesure peut être disposé dans un système et permet le suivi de santé d’un composant électronique constitué de plusieurs composants placés en parallèle ou en série, en même temps ou séparément.
L’invention se rapporte en outre à un système embarquant : un ou plusieurs modules électroniques de puissance, le dispositif de mesure d’au moins un composant électronique de puissance intégré dans chaque module fournissant un indicateur de dégradation.
Ainsi, ces systèmes sont autonomes et permettent de suivre l’état de santé de chacun de leurs composants ou de leurs groupes de composants sans devoir utiliser un moyen externe.
L’invention se rapporte en outre à un système embarquant : un ou plusieurs modules électroniques de puissance, le dispositif de mesure d’au moins un composant électronique de puissance intégré dans chaque module fournissant au moins un indicateur de dégradation d’au moins un composant électronique de puissance de ce module.
L’invention se rapporte encore à un système embarquant un ou plusieurs modules électroniques de puissance suivant les modes de réalisation précédent, le système étant un système de gestion de l’énergie électrique et/ou de conversion d'énergie électrique pour les énergies renouvelables ou un système de transports à traction électrique ou un système stationnaire.
L’invention se rapporte aussi à un programme de calcul comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de mesure de l’état de santé d’un composant électronique de puissance à semi-conducteurs selon l’un des modes réalisations précédents lorsque le programme est exécuté par un processeur.
Ainsi, le suivi de l’état de santé peut être éventuellement automatisé et ne nécessite pas l’intervention d’une personne.
Selon une réalisation du programme de calcul, le procédé de mesure de l’état de santé est appliqué au système embarquant un ou plusieurs modules électroniques de puissance selon l’un des modes de réalisation précédent, et si le procédé de mesure renvoie un indicateur quantitatif de dégradation supérieur à une valeur seuil prédéterminée, le programme de calcul applique le procédé de mesure à chaque composant électronique de puissance à semi-conducteurs du système embarquant un ou plusieurs modules électroniques de puissance
Ainsi, le procédé de mesure permet de vérifier l’état de santé global, avant d’appliquer le procédé de mesure à chaque composant pour pouvoir identifier le composant subissant une dégradation, la première mesure permet d’économiser du temps de calcul lorsque l’état de santé global ne présente pas de dégradation.
Le franchissement d'un seuil, préalablement fixé sur l'indicateur quantitatif D de la dégradation d’un composant électronique, peut notamment être détecté automatiquement et générer une alerte pour l'utilisateur.
Le module IGBT comporte un support diffuseur de chaleur, qui permet d’évacuer la chaleur produite en cours de fonctionnement dans les différentes parties du module et notamment au niveau de la puce et limiter les variations de température au sein du module. Toutefois, cela ne suffit pas à empêcher ces variations de température et donc le vieillissement thermomécanique du module.
Les phénomènes de vieillissement sont ici décrits à titre d’exemple pour un module IGBT mais on observe des phénomènes analogues pour tous les composants à semi-conducteurs de puissance.
Pour tous les domaines d’utilisation cités plus haut (systèmes de transport à traction électrique, variation de vitesse ou conversion d’énergie), le suivi de l’état de vieillissement de ces composants est un enjeu majeur puisqu’il permet d’optimiser les opérations de maintenance.
Des opérations de diagnostic préalables à ces opérations de maintenance peuvent être effectuées sur un site dédié et équipé, ce qui nécessite de déplacer le dispositif vers ce site en interrompant son utilisation. Il est aussi possible de réaliser les diagnostics in situ, pendant l’utilisation du composant. Ainsi, les diagnostics peuvent être effectués pendant le roulage d’un véhicule ou entre deux périodes de roulage successives sans pour autant déplacer le véhicule.
Dans les cas où il n’est pas souhaitable ou possible de déplacer le dispositif que le composant électronique de puissance équipe, il est connu de mettre en œuvre des méthodes de mesure et de contrôle de la température.
Ainsi, la demande de brevet européenne EP2564163A2 divulgue un capteur optique permettant le contrôle de la température dans un module semi-conducteur, tel qu’un module IGBT, de manière à en prévenir les défaillances.
Cette méthode permet de limiter les variations de température au niveau des composants mais ne fournit pas un indicateur du vieillissement de ce composant.
De manière plus commune, et notamment en vue d’établir des diagnostics in situ, différents indicateurs du vieillissement des composants électroniques ont été proposés, parmi lesquels une tension émetteur-collecteur à l’état passant (notée Vce ON pour un composant IGBT) ou une durée de commutation. De tels indicateurs sont notamment décrits dans l’article "Physics-of-Failure, Condition Monitoring, and Prognostics of Insulated Gate Bipolar Transistor Modules: A Review", H. Oh, B. Han, P. McCluskey, C. Han and B. D. Youn, IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 30, no. 5, pp. 2413-2426, May 2015, ou encore dans l’article "Accurate Online Junction Temperature Estimation of IGBT Using Inflection Point Based Updated I–V Characteristics", A. Arya, A. Chanekar, P. Deshmukh, A. Verma and S. Anand, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 9, pp. 9826-9836, Sept. 2021 .
La plupart de ces indicateurs nécessitent la mesure complémentaire de la température du composant de puissance. Ainsi, la mesure de Vce ON doit, pour être pertinente, être effectuée à température de jonction maitrisée.
La mesure de température est effectuée, de manière directe ou indirecte, avec des capteurs dont la mise en œuvre et l’étalonnage sont complexes lorsque la précision du capteur est élevée, comme le montre la table 1 p.9827 de l’article "Accurate Online Junction Temperature Estimation of IGBT Using Inflection Point Based Updated I–V Characteristics". Pour surmonter ces limitations, d’autres indicateurs de l’état de santé des composants électroniques, indépendants de la température - ou tout au moins ne nécessitant pas de mesure de température - sont donc recherchés.
L’article "On-line Health Monitoring of Wire-Bonded IGBT Power Modules using On-State Voltage at Zero-Temperature-Coefficient", N. Degrenne and S. Mollov, PCIM Europe 2018; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management , 2018, pp. 1-7, divulgue une méthode de suivi de la dégradation d’un module IGBT basée sur le point ZCP de ce module (ce point étant noté ZTC dans cet article).
Tous les composants de puissance bipolaires ou mixtes présentent à l’état passant un coefficient de température négatif à basse température, c’est-à-dire qu’une augmentation de la température à intensité de courant électrique de collecteur Ic constante se traduit par une augmentation de la tension collecteur-émetteur, notée Vce, tandis qu’à haute température, ils présentent un coefficient de température positif. Entre ces deux comportements existe un point ZCP (« Zero Coefficient Point »), c’est-à-dire un point de la caractéristique statique courant-tension (Ic,Vce) du composant (pris dans un état de santé donné) pour lequel la tension émetteur-collecteur V,ZCP correspondant à l’intensité du courant de collecteur I,ZCP est indépendante de la température à laquelle cette caractéristique tension-courant a été tracée. On peut visualiser ce point sur la de la présente demande et sur la figure 10 de l’article "On-line Health Monitoring of Wire-Bonded IGBT Power Modules using On-State Voltage at Zero-Temperature-Coefficient".
Le point ZCP évolue en fonction de l’usure du composant électronique de puissance, mais cette évolution n’était pas documentée précisément jusqu’à ce jour, de sorte que l’exploitation de ce point reposait sur des hypothèses non démontrées.