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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Introduction aux modes de défaut et à leur gestion sécuritaire
En anglais
2. Les approches de solutions par domaines d’applications et de criticité
La notion de « criticité » d’une application aussi désignée par le niveau de « risque » qu’elle représente est une grandeur à deux dimensions. Elle repose sur le produit de la probabilité d’occurrence de l’évènement redouté par le niveau de gravité qui en découle (sur une échelle de 1 à 10 par exemple) si l’évènement apparaissait. La notion de gravité est définie à son tour par une grandeur à deux dimensions qualifiant : le niveau de sécurité global d’une part, c’est-à-dire le maintien de l’intégrité des biens et des personnes ; le niveau de disponibilité d’autre part, c’est-à-dire la continuité totale ou partielle du service nominal. La classification des domaines d’application par « criticité » donnée au tableau 1 est une manière d’adresser les grandes familles de solutions améliorant la sûreté de fonctionnement des systèmes concernés.
2.1 Applications peu critiques
Elles concernent généralement les auxiliaires de faible puissance sur les systèmes fixes au sol. La panne simple ou élémentaire, c’est-à-dire unique et localisée à un seul composant élémentaire, ne peut à elle seule être à l’origine d’une situation critique au sens où nous l’avons définie. Les dimensionnements électriques et thermiques de tels convertisseurs relèvent du domaine de l’art de l’ingénieur électronicien de puissance. Cette étape de conception repose sur la prise en compte du champ de contraintes tension – courant – température et de ses variabilités inévitables dans un environnement réel (température ambiante, variations de la tension du bus DC pour un onduleur, le profil de mission en puissance de la charge, les modes de fonctionnement dynamiques : démarrage, délestage, reprise et arrêt) permettant un choix adapté des composants de puissance incluant les marges de sécurité ou « surdimensionnement » indispensables à un fonctionnement sécurisé. Le niveau de fiabilité qui en découle est donc directement lié au niveau de connaissance et de certitude sur les contraintes appliquées, les limites physiques et technologiques des composants mis en œuvre et enfin sur les valeurs relatives des marges...
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Les approches de solutions par domaines d’applications et de criticité
BIBLIOGRAPHIE
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(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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