Prospective Study of MMC and Topology 3D packaging for producing a drive medium voltage speed
Etude Prospective de la Topologie MMC et du packaging 3D pour la réalisation d’un variateur de vitesse en moyenne tension
Résumé
This structure is constructed by the series connection of identical sub-modules,
composed of a switching cell and a floating capacitor, and with arm inductors. Such a
conversion system may reach a large number of levels increases the overall efficiency and
quality of the output signals. In addition, it allows the use of low voltage components with
better dynamics and cost effectiveness above the high voltage components.
It also allows flexibility in the work of design and manufacture due to its modularity,
while avoiding a bulky and expensive input transformer, regarding the conventional
technology. Compared with other types of topologies, advantageous with a limited number of
levels, the modular multilevel converter seems to be more suited for medium and high voltage
applications, which are dependent on the association of power components. However, for
variable speed drive application, a certain number of technological challenges have been
highlighted, given the specific functional characteristics of the modular multilevel inverter
and the constraints imposed by the very low frequency operation.
On the one hand, for the normal operation of a multilevel modular converter, the
waveform of the internal currents, in contrast to other types of topologies, is not symmetrical
due to the distribution of the direct current in each phase leg. This may entail a significant
disparity in terms of heat dissipation within the switching devices constituting a sub-module.
Therefore, the problem of thermal management of active components is emphasized in the use
of a modular multilevel converter. With the choice of a 3D packaging technology,
interconnection by bumps, the ability to cool the semiconductor chips through the both sides
of a module offers better cooling effects and a new perspective to design the power module
for the studied structure.
The concept of laying chips on both the two substrates of module without facing
each other provides overall balanced dissipation in the space and permit to overcome the
unbalanced heat distribution induced by bumps. Combined with the sharing of a switch by
two chips in parallel, the proposal of the new architecture for 3D power module also aims to
balance the double-sided cooling in the time range. Indeed, for the low frequency operation,
the switches operate in unsteady state with drastic temperature variation, it is no longer
possible to compensate the thermo-mechanical constraints over each component with the help
of the others, as in steady state and with a planar chips positioning scheme.
On the other hand, from a systemic point of view, the control strategy and the
dimensioning of floating capacitors of modular multilevel inverter are two interrelated aspects.
Because the floating capacitors, having the role of energy sources, are loaded / unloaded
through the modulation period, which causes very high voltage ripples across those capacitors
with a very low frequency. This will destabilize the inverter and even provoke the destruction
of components by approaching too high voltage levels. Thus, wisely designed controllers
reduce unwanted ripples and, furthermore, allow embarking much smaller capacity in the
system, as they are inversely proportional to the voltage ripple.
In order to have a thorough understanding on the dynamics governing the modular
multilevel converter, a comprehensive dynamic model based on state-space representation
was established. Although this representation is limited to the second harmonic of
characteristic variable, it allows a faithful interpretation of the conversion mechanism without
using energy models, more complex to operate, and control laws can also be proposed and
their effectiveness around the nominal frequency has been underlined. Concerning the very
low frequency operations, another solution has been proposed and is ongoing patent pending.
La topologie modulaire multiniveaux est une structure d’électronique de puissance
construite par la mise en série de sous-modules identiques, composés chacun d’une cellule de
commutation et d’un condensateur. Un tel système de conversion pouvant comporter un grand
nombre de cellules permet d’augmenter le rendement global et la qualité des signaux en sortie.
De plus, il permet d’utiliser des composants basse tension présentant un meilleur
comportement dynamique et un rapport qualité-prix bien supérieur aux composants moyenne
tension.
Il permet également, par rapport aux structures conventionnelles, une grande
souplesse pour la conception et la fabrication du fait de son aspect modulaire, tout en
s’affranchissant d’un transformateur volumineux et onéreux en entrée. Comparé aux autres
types de topologies, avantageuses avec un nombre limité de niveaux, le convertisseur
modulaire multiniveaux semble être mieux adapté aux applications en moyenne et haute
tensions, qui sont tributaires de l’association des composants de puissance. Néanmoins, pour
la variation de vitesse, un certain nombre de défis technologiques ont été mis en évidence,
compte tenu du fonctionnement particulier de l’onduleur modulaire multiniveaux et des
contraintes imposées par l’opération en très basse fréquence.
En fonctionnement normal, la forme d’onde des courants internes, contrairement
aux autres types de topologies, n’est pas symétrique en raison de la distribution du courant
direct dans chaque bras. Cela entraîne une disparité significative en termes de dissipation
thermique parmi les interrupteurs constituant un sous-module. Avec le choix d’une
technologie de packaging 3D, la possibilité de refroidir les puces semi-conductrices en
double-face offre une meilleure capacité de refroidissement et une nouvelle perspective de
conception des modules pour cette application.
Un nouveau concept de report de puces est présenté et un prototype de tel module a
été réalisé, modélisé et caractérisé. Il permet d’équilibrer globalement la chaleur dissipée par
les puces sur les deux faces du module, problème inhérent à l’emploi de structure 3D.
Conjugué à la mutualisation d’un interrupteur par deux puces en parallèle, la nouvelle
architecture a aussi pour objectif d’équilibrer le refroidissement double-face dans le temps. En
effet, pour les opérations en basse fréquence, les interrupteurs fonctionnent en régime
instationnaire avec de forte variation de température, il n’est donc plus possible de compenser
les effets thermomécaniques de chaque composant l’un par l’autre, comme en régime
stationnaire et avec un positionnement planaire des puces.
D’autre part, d’un point de vu systémique, la stratégie de commande et le
dimensionnement des condensateurs flottants de l’onduleur modulaire multiniveaux sont deux
aspects intimement liés. En effet, les condensateurs flottants sont le siège d’ondulations de
tension de très forte amplitude. Cela a pour effet de déstabiliser l’onduleur, voire de
provoquer la destruction des composants en atteignant des niveaux de tension trop élevés.
Ainsi, des contrôleurs judicieusement conçus permettent de réduire les ondulations
indésirables, et a fortiori, d’embarquer des capacités moins importantes dans le système, tant
que ces dernières sont inversement proportionnelles à l’ondulation de la tension.
Afin d’avoir une compréhension approfondie sur les dynamiques régissant le
convertisseur modulaire multiniveaux, un modèle dynamique global basé sur la représentation
d’état a été établi. Bien que cette représentation soit limitée à l’harmonique 2 des grandeurs
caractéristiques, elle permet une fidèle interprétation du mécanisme de conversion sans passer
par des modèles énergétiques bien plus complexes à exploiter, et de proposer des lois de
commande montrant leur efficacité notamment autour de la fréquence nominale. Cela a été
vérifié sur une maquette de puissance réalisée dans le cadre de cette thèse.
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