P13A02, Conception d'une interface de puissance¶

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Projet GE4-GE5 2013
Client : M. WALGER - Ingénieur chez Renesas Electronics Europe
Auteurs : AMAANAN Lahbib - FORNER Maxime - HERODIER Pierrick (jusqu'en juin 2013)
Responsable Projet : M. JAMES
Tuteur industriel : M. FICKINGER

Résumé

Abstract

1. Introduction
2. Présentation du Sujet
3. Cahier des Charges
4. Développement

a. Problématiques
b. Faisabilité
c. Tests
d. Dissipation thermique

5. Gestion de Projet
6. Bilan
7. Note d'application

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Résumé¶

Dans l'objectif de proposer de nouvelles applications pour ces produits, le premier fabricant de microcontrôleur au monde, la société Renesas Electronics, veut proposer à ses clients le matériel nécessaire de commande de moteurs-roues, à l'aide de ses propres composants électroniques.

Le moteur-roue est un type de moteur électrique incorporé dans une roue de véhicule, pour le mettre en mouvement. Ce type de moteur permet de gagner en espace, car au lieu d'avoir un seul gros moteur au centre du véhicule, nous avons deux ou quatre moteurs plus petits à l'intérieur de la roue.

Renesas pour confirmer sa renommée internationale, désire montrer et proposer à ses clients, que ses produits peuvent être appliquer à un système de véhicules à deux ou quatre roues, et ainsi démontrer l'efficacité de ses microcontrôleurs et de ses librairies.

Ce projet consiste à concevoir une carte de puissance s'interfaçant à une carte composée d'un microcontrôleur, et à un moteur-roue de type sans balais à courant continu (brushless DC), permettant de le piloter. La particularité de cette carte de puissance consiste à pouvoir utiliser les dernières générations de composants de puissance de chez Renesas et d'avoir la capacité d'alimenter en triphasé le moteur à partir d'une batterie délivrant une tension continue comprise entre 24V et 70V et un courant de 50A.

Mots clés:

- Onduleur
- Transistor de puissance
- Moteur sans balais (Brushless)
- Dissipateur thermique
- Microcontrôleur

Abstract¶

With the aim to propose new applications for these products, the first manufacturer in the world of microcontroller, Renesas Electronics, wants to offer for his customers all the control equipment to control wheel motors with his own electronic components.

The wheel-motor is a type of electric motor includes in a vehicle wheel, for setting in motion the wheel and the vehicle. This type of engine saves space because instead of having one big motor in the center of the vehicle, we have two or four smaller motors inside the wheel.
Renesas wants to confirm its international reputation, and wants to show and offer for his customers that its products can be applied to a vehicle system. And demonstrate the efficiency of its microcontrollers.

This project is to design a power board interfacing to a map composed of a microcontroller, and a wheel motor type brushless DC, for the ride. The particularity of this power board is to use the latest generation of power components. And to show Renesas have the ability to supply three-phase motor from a battery supplying a voltage range between 24V and 70V and a current of 50A.

Keywords:

- Power inverter
- Power transistor
- Brushless motor
- Heat sink
- Microcontroller

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1. Introduction¶

Afin d'anticiper la demande de clients dans la commande en puissance de moteurs roues électriques, Renesas Electronics, le leader mondial de la fabrication de microcontrôleurs, désire se positionner sur ce marché d'avenir.

Le moteur-roue fait à nouveau parler de lui, depuis que le marché du véhicule électrique est en expansion. La demande pour ce type de moteur, permet de répondre à une problématique d'espace dans les véhicules. Le moteur-roue est plus petit qu'un moteur électrique classique placé au centre du véhicule. Comme ce moteur s'installe dans la roue, les deux ou quatre roues motorisées rendent le système aussi efficace qu'un véhicule électrique avec un moteur standard.

Dans le cadre de la formation ingénieur Génie Électrique à Polytech Clermont-Ferrand la réalisation d’un projet industriel sur deux ans qui débute en deuxième année (48h) par une étude du projet que l'on doit mener à bien afin de répondre aux besoins du client, puis en troisième année (192h) où nous passons à la phase de développement et de réalisation.

2. Présentation du Sujet¶

Désirant montrer à ses clients toutes les possibilités de leurs composants ainsi que de leurs solutions techniques, la société Renesas, veut proposer une solution permettant de satisfaire la demande d'interface de puissance appliquée à un moteur roue électrique. La montée en flèche de la recherche ainsi que des applications dans les technologies de type moteur roue, permet à Renesas de saisir l'occasion pour démontrer l'efficacité de ses microcontrôleurs, ainsi que la facilité de ses solutions en fournissant à leurs clients le nécessaire pour répondre à leur besoin.

Notre projet consiste à concevoir une carte de puissance qui permet de mettre en forme l’énergie provenant d’une batterie pour faire fonctionner un moteur roue, avec des produits Renesas de nouvelles générations. Cette carte est connectée en entrée à une batterie qui fournit la puissance, et à une carte de commande composée essentiellement d'un microcontrôleur, qui fournit les signaux nécessaire au contrôle de la carte à concevoir. En sortie nous avons un moteur sans balais à courant continu (moteur brushless DC) triphasé. La batterie, la carte de commande ainsi que le moteur nous sont fournis pour la réalisation de ce projet.

Figure 1 : Schéma bloc simplifié du système

3. Cahier des Charges¶

La carte de puissance doit être dimensionnée pour une batterie délivrant une tension continue de 24V à 70V avec un courant de 50A maximum et doit permettre d’onduler celle-ci en une tension triphasée de même puissance, pour un moteur sans balais à courant continu (BLDC). La commande de la partie onduleur est effectuée par une carte extérieure dotée d’un microcontrôleur fourni par le client, auquel doit s’interconnecté notre carte de puissance.

Figure 2 : Schéma bloc complet du système

La carte est constituée de plusieurs parties :

- Une partie onduleur composée d’un pont de transistors IGBT qui sont dimensionnés pour une tension de 600Vmax en entrée et un courant de 50A, permettant de convertir la tension continue de la batterie en une tension alternative triphasé, pour alimenter le moteur. Ces transistors doivent être compatibles à une fréquence de 20kHz. Le pont sera composé de six transistors :

Figure 3 : Schéma électrique de l'onduleur avec les six interrupteurs IGBT

- Une partie commande rapprochée, qui consiste à amplifier en tension le signal de la carte de commande contrôlant la commutation des transistors.
- Une partie isolation opto-électrique entre la carte de commande et la carte de puissance composés d’opto-coupleurs, permettant de protéger la carte de commande.
- Une partie alimentation, qui va permettre de connecter la batterie d’alimenter les différents composants de la carte à des niveaux de tensions différents.

La carte doit être dans l’idéal de la même taille que la carte de commande (150mm x 120mm).

La simulation de certaines parties de la carte, notamment l'aide à la commutation des transistors devra être réalisé sous PSim.
Le schéma de la carte (CAO), devra être réalisé sous le logiciel KiCad (logiciel gratuit).
Le prix de cette carte doit être inférieure à 150€.

4. Développement¶

4.a. Problématiques¶

Dans la conception de la carte de puissance, on doit dimensionner les composants pour le bon fonctionnement de la carte. Le dimensionnement en puissance est critique car il conditionnera le reste de la carte. Les transistors sont ceux qui réaliseront la commutation du signal de puissance fourni par la batterie. Il est donc crucial de bien les choisir pour qu'ils résistent aux différentes variations du courant et de la tension, auxquels ils seront soumis. Lors du démarrage du moteur, un pic de courant important est appelé et traversera les transistors. Lors des phases de freinages, le moteur devient générateur et renvoie de l'énergie qui se traduira par une hausse de la tension aux bornes des transistors.
La commutation des transistors, se faisant à une fréquence élevée (20kHz), une partie d'aide à la commutation devra être prévue.

4.b. Faisabilité¶

Le client a proposé initialement des transistors Mosfet de puissance (PMosfet - RJK0701DPN-E0) de sa nouvelle gamme de produit, qu'il veut mettre en avant dans ce projet. Le Mosfet en question est un dont la tension à ses bornes accepte 75V maximum et un courant de 100A. Ce choix a été remis en question car la tension acceptée par celui-ci est trop faible, et les pics de tension à l’ouverture du transistor n’aurait pas permis de préserver l’intégrité du composant.
Il est donc convenu de changer de technologie et d'avoir un pont avec des transistors IGBT. Les IGBT retenues sont les RJH60D7BDPQ-E0 de marque Renesas.

4.c. Tests
Après avoir fait le choix des composants qui constitueront notre carte, nous sommes passés à la phase de test.
Notre premier test a été de vérifier le bon fonctionnement de notre IGBT. Notre test consistait à envoyer un signal MLI (Modulation Largeur d'impulsion) sur le driver qui le pilotait, pour vérifier si notre IGBT commute bien aux tensions et courants définie dans le cahier des charges.¶

Figure 4 : Schéma électrique du montage d'un IGBT, connecté à une charge inductive.

Les résultats obtenus n’ont pas été concluant, au vu des courbes obtenues. En effet, nous constatons un fort pic de tension (environ 300 V) à l’ouverture du transistor, ce qui est contraire aux résultats attendus et qui peut nuire à son bon fonctionnement.

Figure 5 : Tension aux bornes de l'IGBT obtenue à l'ouverture

Pour remédier à ce problème de fort pic de tension à l’ouverture de l’interrupteur, nous avons dû mettre en place un circuit d’aide à la commutation (CALC).

Un circuit d’aide à la commutation, est un circuit constitué d’un condensateur, d’une résistance et d’une diode. Son intégration à un IGBT, permet d’absorber une partie de ce pic de tension et ainsi réduire les pertes à la commutation, donc l’échauffement de celui-ci.

Figure 5 : Schéma d'un circuit d'aide à la commutation à l'ouverture

Le condensateur se charge à travers la diode limitant la croissance de la tension.
La résistance limite la décharge du condensateur dans l’interrupteur à la fermeture suivante.

Pour calculer la capacité du condensateur, nous utilisons la formule suivante :

Avec:
Vk : Tension en entrée.
ik : courant en entrée.
tf : temps de fermeture (fournie dans la datasheet de l’IGBT).
K : coefficient de valeur 4/9.

Dans notre cas nous obtenons une valeur de 10nF pour le condensateur, et une résistance de 10ohms.

Concernant le choix de technologie du condensateur, nous avons fait le choix d’utiliser des condensateurs polypropylène pour leur très faible résistance série. Ceux qu’il leur permet de supporter des courants efficaces importants.

Pour résoudre la problématique du pic de tension rencontré lors de la commutation de notre IGBT, nous avons intégré cette solution à notre circuit.

Figure 6 : Schéma électrique du montage d'un IGBT, connecté à une charge inductive avec un CALC à l'ouverture.

Après avoir intégré notre CALC à notre IGBT, nous constatons que le pic de tension à l’ouverture a fortement diminué, passant de 300 V à 20 V.

Figure 7 : Tension à l'ouverture au borne de l'IGBT après avoir mis un CALC à l'ouverture

Après avoir vérifié le bon fonctionnement d’un IGBT et résolu les problématiques rencontrées, nous sommes passés à l’étape suivante qui consiste à faire commuter un bras d’un onduleur.

Figure 8 : Schéma électrique d’un bras de l'onduleur

La problématique rencontrée cette fois-ci, réside dans la commutation du transistor du haut. Le mauvais fonctionnement de celui-ci, réside dans la présence d’un point flottant au niveau de son émetteur.
La solution à cette problématique, est l’instauration d’une commande complémentaire qu’on appelle bootstrap au niveau du driver du haut.
Cette commande est constituée d’un condensateur (Cboot) et d’une diode rapide (Dboot).

Pour commander ces deux transistors, nous avons dû réaliser une commande MLI issue d’un microcontrôleur M32C. Pour éviter de court-circuiter l’alimentation, il a fallu mettre un temps mort entre chaque état haut des deux signaux.

Figure 9 : Signaux MLI envoyés aux drivers du bras de l'onduleur

Résultats obtenus pour un bras d’un onduleur pour une tension en entrée de 30V et un courant de 5A.

Figure 10 : Courant et tension vu sur l’oscilloscope du bras onduleur

Nous pouvons remarquer que la commutation s’effectue bien, mais que le pic de tension réapparaît.
Nous n’avons pas réussi à déterminer d’où venez le problème, par conséquent nous n’avons pas pu résoudre le problème et terminer le prototype.

4.e. Dissipation thermique¶

Un semi-conducteur parcouru par un courant sous une tension donnée est amené à chauffer et à dissiper de la chaleur par effet Joule. Pour éviter que cet échauffement détruise le composant, l’on doit mettre en place un système de refroidissement adéquat pour préserver son intégrité thermique. Pour cela on doit dimensionner le dissipateur thermique passif que l’on fixera sur la semelle de nos transistors (face métallique connectée au collecteur) qui réalisent la conversion de puissance.

La transmission de chaleur se fait de trois manières :
• Par conduction, la chaleur se transmet par contact entre deux matériaux où au sein du même matériau. Lorsque l’on fixe le dissipateur thermique sur le transistor, le contact n’est pas parfait, car les surfaces ne sont pas rigoureusement plane. On peut utiliser de la pâte thermique pour uniformiser le contact, ou une feuille en silicone ou en polymère qui garantira un bon contact thermique mais qui aura aussi la capacité d’isoler électriquement le composant du dissipateur.
• Par convection, la chaleur s’échange entre un gaz ou un liquide et un solide. L’échange thermique entre le dissipateur et l’air ambiant en est un exemple. Dans ce cas, la convection est dite naturelle. L’air ambiant s’échauffe autour du dissipateur et monte en température. La qualité de l’échange dépend de la température de l’air ambiant. Pour améliorer la transmission thermique, on peut forcer la convection en ajoutant un ventilateur.
• Par rayonnement, la transmission thermique se fait par radiation d’un corps chaud sur un corps froid par émission d’onde électromagnétique. Le cas le plus simple est la chaleur émise par le soleil. Le flux thermique est proportionnel à la température du corps rayonnant et à son émissivité (d’après la loi Stefan-Boltzmann). L’émissivité est une valeur sans unité, comprise entre 0 et 1, qui indique la capacité d’un matériau à émettre de l’énergie par rayonnement. Un corps noir idéal à une valeur de 1. C’est pour cela que dans le cas des dissipateurs on choisit très souvent l’aluminium anodisé noir qui a une très bonne émissivité (ε≈0,98) et donc est un bon matériau pour capter la chaleur rayonnée.

Notre IGBT dissipe de la chaleur par effet Joule de ces trois manières. Ces pertes par effet Joule sont données par le produit de la chute de tension v aux bornes du composant et le courant i qui le parcoure, sur une période T du cycle de fonctionnement.

Pour faciliter les calculs, on découpe ces pertes par les pertes par conduction (fonctionnement statique du composant) et les pertes par commutation (lors des changements d’état). Ces IGBT intègrent une diode en antiparallèle (dit aussi de « roue-libre ») que l’on devra prendre en compte dans nos calculs de puissance dissipée. Lors de l’évaluation on calculera les pertes dans la diode et dans le transistor.
Les pertes par conduction sont données pour le transistor et pour la diode par ces deux équations :

Les pertes par commutation sont données pour le transistor et pour la diode par ces deux autres équations :

Une partie de ses valeurs sont données dans les caractéristiques du composant (voir Figure 11)

Figure 11 : Extraits du tableau des caractéristiques de l'IGBT RJH60D7BDPQ-E0

ICmoy est évalué aux alentours de 20A, IFmoy est évalué à 5A, le courant efficace IFeff = 9A et F = 20kHz.
D’où : PconT? = 44W, PconD? = 23W, PcomT? = 3W et PcomD? = 2W
Ce qui donne une puissance totale dissipée de 72W

La résistance thermique maximale est déterminée pour que la température de jonction du semi-conducteur ne soit pas destructrice. Cette température est de 150°C dans notre cas . On la note Tj et on note Tamb la température ambiante maximale. La résistance thermique minimale est déterminée par la formule suivante :

Avec Rj-b la résistance thermique entre la jonction et le boîtier, et Rb-d la résistance thermique entre le boîtier et le dissipateur thermique.
formule5

D’où RTh, la résistance thermique calculée pour un transistor, doit être inférieure à 1,12°C/W.
La résistance thermique maximale permet de déterminer le dissipateur. Il y a d’autres facteurs à prendre en compte comme l’encombrement volumique et massique ainsi que le prix.

Figure 12 : Dissipateur ABL HEATSINKS - 173AB2000B anodisé noir

Les dissipateurs sur le marché sont fournis avec des abaques permettant d’évaluer leur résistance thermique en fonction de leur dimension. Dans notre cas, on peut remarquer que l’on aura une longueur du dissipateur aux alentours de 120mm s’il est anodisé de noir (Figure 13), ou de 160mm sinon, pour avoir une résistance thermique inférieure à 1°C/W.

Figure 13 : Abaque résistance thermique en fonction de la longueur du dissipateur

5. Gestion de Projet¶

Pour assurer le bon déroulement de notre projet, nous avons travailler sur les différentes étapes de conceptions de l'onduleur. Cependant nous avons pris du retard et nous avons du faire des choix dans ce que nous avions planifier de réaliser.

Figure 5 : Gantt final

6. Bilan¶

L’objectif final était de rendre une carte de commande qui a pour rôle de convertir des signaux continu provenant d’une batterie en signaux alternatifs pour piloter un moteur brushless.

A l’issue du projet, cet objectif n’a pas était atteint. Lors des essais sur un bras d’un onduleur, nous avons rencontré un fort pic de tension de l’ordre de 300 V à l’ouverture des transistors. Nous n’avons pas su résoudre cette problématique pour passer à la suite.
Si le projet était amené à être reconduit, il faudrait rediscuter du choix du transistor et revoir le dimensionnement du CALC.

Sur un apport plus personnel, ce projet nous a permis de mettre en pratique et d’acquérir de nouvelles connaissances en électronique de puissance.
Il nous a permis de prendre en main de nouveau logiciel comme Kicad. Il nous a permis aussi de développer le côté gestion de projet.

7. Note d'application¶

Sujet 1 : Lahbib AMAANAN

Document indisponible.

Sujet 2 : Maxime FORNER

Dimensionnement des dispositifs de refroidissement des composants de puissance