Contribution à l'étude de la gradation de potentiel dans les modules de puissance haute tension

par Cyrille Duchesne

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Thierry Lebey.

Soutenue en 2009

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'augmentation des densités de puissance dans le domaine de la traction ferroviaire conduit aujourd'hui au développement de convertisseurs intégrés. Cette intégration n'est toutefois possible que si l'on sait dimensionner au plus juste l'ensemble des éléments qui constitue ces convertisseurs. Du point de vue de l'isolation électrique, il est donc nécessaire d'avoir une caractérisation la plus large possible de l'ensemble des matériaux isolants utilisés dans le packaging des composants de puissance ainsi qu'une bonne compréhension de leurs mécanismes de défaillances. Ces points s'avèrent d'autant plus critiques que la réduction des dimensions d'une part et l'augmentation des calibres en tension des composants d'autre part se traduisent par des contraintes de plus en plus sévères. Répartir la contrainte électrique de façon homogène est donc d'un intérêt majeur lorsqu'il s'agit de maintenir l'intégrité de ces systèmes. Le travail présenté ici consiste en une étude approfondie des problématiques liées à la gradation et en la présentation de deux solutions de gradation du potentiel, l'une utilisant des matériaux hybrides et l'autre des lignes conductrices à potentiel flottant. Différents outils théoriques et pratiques ont été développés et utilisés. Un code de calcul par éléments finis (CEF) est utilisé afin de prédire la répartition de la contrainte (potentiel et champ électrique) dans une structure de test prédéfinie. L'influence de la réfraction des équipotentielles aux interfaces de différents diélectriques est ensuite étudiée. L'utilisation d'un matériau présentant une variation non - linéaire de sa caractéristique courant tension sur la répartition homogène du champ électrique est discutée et nous montrons qu'un tel comportement n'est pas une condition nécessaire pour obtenir une réduction satisfaisante du champ électrique. Différentes méthodes permettant de caractériser ce type de matériau à travers des mesures directes de la contrainte électrique par sonde à champ nulle et indirecte par des mesures de décharges partielles sont ainsi proposées. Enfin, la gradation du potentiel en utilisant des lignes métalliques inspirées des techniques de répartition par anneaux de garde ou plaque de champ est envisagée. Une optimisation de la structure d'étude par calcul CEF est d'abord réalisée, puis la caractérisation diélectrique à travers des mesures de décharges partielles et de rupture diélectrique confirme le bien fondé de cette approche.

  • Titre traduit

    Contribution to thestudy of the gradation of electrostatic potential on the electronics power modules


  • Résumé

    In railway applications, the increase of the power density leads to the development of more and more integrated inverters. This integration is only possible if each component has its own well-established design rule. Regarding the insulating materials, a wide characterisation of the different materials ensuring the packaging functions is all the more necessary that it may lead to a better understanding of their failure mechanisms. This last point will become crucial if the actual trend (decrease of the module size and increase of the component voltage level) is extended. Electrical stress grading inside the module appears therefore as a key issue to ensure the integrity of the systems. This work is a contribution to stress grading effect and different solutions are examined in details. Among others, we focus particularly on hybrid materials and floating potential conductive lines. Various tools are used and developed both from a theoretical and from a practical point of view to achieve this characterization. Finite Element Method (FEM) is used to predict the stress distribution in the structure under study. Materials presenting non-linear I(V) characteristics are characterised and their results are discussed in details. Alternative methods are also proposed to characterise them directly through the measurement of the potential distribution (thanks to a Kelvin probe) and indirectly via Partial Discharge measurements. Then, a stress grading method using floating potential conductive lines inspired by guard rings and field limiting plates is proposed. An optimisation of the structure thanks to FEM method and through a dielectric characterisation using partial discharge and dielectric strength measurements is achieved.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (188 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 173-180

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2009 TOU3 0001
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