Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’électronique de puissance pénètre aujourd'hui des secteurs d'applications dits critiques : défense, médical, transports, énergie et finance. Ces domaines sont particulièrement exigeants en termes de sécurité électrique et de disponibilité applicative. La problématique de la sûreté de fonctionnement des convertisseurs de puissance apparaît donc comme une question centrale à examiner et à traiter dès la phase de conception. Par ailleurs, les composants électroniques de puissance demeurent clairement les éléments les plus fragiles d'une chaîne de conversion, qu'ils soient ou non à l'origine d'un dysfonctionnement. Cet article introduit la problématique puis aborde un volet essentiel sur les modes de défaut internes et des solutions de sécurisation pour un onduleur de tension.
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Today power electronics holds a key place in ensuring the energy efficiency of critical electrical systems in defense, healthcare, transport, energy and finance, where electrical safety and continuity of service are vitally important. The overall reliability of power electronic converters is a major issue that has to be addressed right from the design stage. Power semi-conductors are clearly the weakest devices in the chain, whether or not they cause a failure. Power electronics designers are the leading experts developing the necessary approach to overall reliability for power converters. After a general introduction, this article presents the classical failure modes and the main solutions that provide safety capabilities.
Auteur(s)
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Frédéric RICHARDEAU : Directeur de recherche au CNRS - Laboratoire LAPLACE, Unité mixte de recherche INP Toulouse - Groupe Convertisseurs Statiques. Chargé de cours à l’ENSEEIHT, Département GEA - Université Paul Sabatier – CNRS, Toulouse, France
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Arnaud GAILLARD : Maître de conférences - Institut FEMTO-ST, Unité mixte de recherche Université Bourgogne Franche-Comté (UBFC) – CNRS, Département Énergie - Université Bourgogne Franche-Comté, UTBM, Belfort, France
INTRODUCTION
Cet article constitue la première partie d’une introduction à la sûreté de fonctionnement de l’onduleur de tension. Les auteurs s’attachent à présenter les modes de défauts principaux et les principes de sécurisation. Le second article [D3180] porte sur les principales structures de redondance et les principes de reconfiguration. Les deux articles ont été rédigés de manière à former un ensemble introductif cohérent ; néanmoins sur la forme, ceux-ci peuvent être abordés de manière indépendante selon les besoins du lecteur.
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KEYWORDS
voltage source inverter | failure mode | power semi-conductors | global reliability | critical failure
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Présentation
Contexte de la problématique
En anglais
3. Introduction aux modes de défaut et à leur gestion sécuritaire
L’onduleur est un convertisseur DC/AC assimilable à une source de tension, à faible impédance interne, qui s’accommode mal d’une situation de court-circuit, qu’il soit interne à la topologie ou externe au niveau de la charge ou de la source. Les figures 6 a, 6 b, 6 c et 6 d donnent les principales situations critiques de court-circuit. Dans l’analyse de la criticité des modes de défaut, il est cependant nécessaire de considérer le caractère, soit abaisseur de tension de l’onduleur (transfert DC → AC), soit élévateur de tension de l’onduleur en mode de réversibilité de puissance. Dans ce dernier cas, on parle de redresseur actif (transfert AC → DC).
3.1 Analyse globale à l’échelle de la source et de la charge
La figure 6 a représente le cas classique d’un court-circuit interne dans un onduleur. La très faible impédance interne de la source côté DC par rapport à la charge côté AC montre clairement que celui-ci est bien le mode le plus critique, surtout en haute tension. La figure 6 b montre le cas où le court-circuit est externe et localisé sur le côté AC. Un défaut en aval de l’inductance de filtrage pourra être géré de par le caractère dévolteur de l'onduleur permettant ainsi une limitation en courant par le biais du contrôle rapproché de l'onduleur. Cette opération nécessite toutefois que les bandes passantes du capteur et du contrôle soient adaptées au di/dt du défaut. En revanche, un défaut « franc » en amont de l’inductance est critique et peut amener à la destruction d'un transistor ou plus si aucune protection interne n'est prévue au niveau même des composants de puissance ou de leur driver. Dans le cas d'un redresseur actif, le caractère élévateur du convertisseur vient modifier les propriétés précédentes. La figure 6 c montre le premier cas d'un court-circuit externe, côté DC, dans le cas d'un redresseur actif. La propriété d'élévation de tension ne pouvant plus être assurée,...
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Introduction aux modes de défaut et à leur gestion sécuritaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HAHN (B.), DURSTEWITZ (M.), ROHRIG (K.) - Reliability of wind turbines – Experience of 15 years with 1 500 WTs, - Wind Energy : Proceedings of the Euromech Colloquium, pp. 329-332, Springer-Verlag, Berlin (2016). https://www.researchgate.net/publication/46383070_Reliability_of_wind_turbines_Experiences_of_15_years_with_1500_WTs.
-
(2) - WANG (H.), MA (K.), BLAABJERG (F.) - Design for reliability of power electronic systems, - in IECON 2012 – 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, vol., no., pp. 33-44, 25-28 Oct. 2012. doi : 10.1109/IECON.2012.6388833.
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(3) - THORSEN (O.V.), DALVA (M.) - A Survey of the Reliability with an Analysis of Faults on Variable Frequency Drives in the Industry ; - European Conference on Power Electronics and Applications, Sevilla, pp. 1.033-1.038 (1995).
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(4) - HANNA (R.A.), PRABHU (S.) - Medium-voltage adjustable-speed drives-users’ and manufacturers’ experiences, - Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 33, no. 6, pp. 1407,1415, Nov/Dec 1997 doi : 10.1109/28.649949.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Conditionnement des modules de puissance.
-
Fatigue des composants électroniques de puissance – Physique de défaillance.
-
Sûreté de fonctionnement des systèmes, Principes et définitions.
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...
Documentation sur les Pyroswitch / PSS – Safety Switch and Closing Switch
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ISO 26-262 - 2011 - Road vehicles – Functional safety
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