Multiphysics simulation methodology of the short circuit in SiC MOSFET power modules composing the railway traction chain
Méthodologie de simulation multiphysique du court-circuit dans les modules de puissance MOSFET SiC composant la chaîne de traction ferroviaire
Résumé
In the current context, the railway industry is trying to design mass transit systems based on increasingly lower and cleaner energy consumption. The deployment of silicon carbide-based power modules (SiC MOSFETs) in converters allows energy savings of up to 50% by limiting switching losses. At the same time, the railway industry tends to develop validation methods by simulation in the design phases. The objective of this thesis is to develop a multiphysics simulation methodology to simulate the behavior of a SiC MOSFET during a short-circuit phase and its consequences in terms of reliability. Short-circuit is a complex phenomenon that can be critical for the lifetime of SiC MOSFET power modules. Therefore, we have addressed the phenomenon by developing a method to predict the current distribution and shape during a short-circuit phase as well as the magnetic field generated during this phase. First, a simulation methodology of the SiC MOSFET chip based on a behavioral scheme and a Cauer model has been developed. The parameters of the model were replaced by thermo-dependent equations determined using a genetic algorithm and the least squares method. As a result, the solution time of the calculation is very short, which made it possible to adapt this methodology to a complete SiC MOSFET power module connected to busbars. This method is based on the coupling between the chip behavioral model and the 3D models from electromagnetic simulations based on finite element solving. The coupling allowed to correlate the measured short-circuit current values with the simulated ones. Subsequently, a sensitivity study of the short-circuit current as a function of the inductances of the electrical circuit and the thermal inertia of the component was performed to better understand the phenomenon. The results showed that the numerical design allows to optimize the electrical environment of the SiC MOSFET power modules in order to limit this current during commercial use. This methodology can also be used as an input in a component lifetime calculation or to realize a digital twin of the power module. We have therefore demonstrated the feasibility of a multiphysics simulation methodology to model the thermomechanical deformations due to short-circuit phases. Then, with the help of numerical simulation tools, we have developed a method to detect the short-circuit phase in order to protect the component as soon as possible. The Rogowski coil developed with this method allowed to divide by two the level of current generated during the short-circuit phase.
Dans le contexte actuel, l’industrie ferroviaire tente de concevoir des systèmes de transport en commun basés sur une consommation d’énergie de plus en plus réduite et de plus en plus propre. Le déploiement des modules de puissance à base de carbure de silicium (MOSFET SiC) dans les convertisseurs permet une économie d’énergie pouvant aller jusqu’à 50% en limitant les pertes en commutation. Dans le même temps, l’industrie ferroviaire tend à développer des méthodes de validation par simulation dans les phases de conception. L’objectif de cette thèse est de développer une méthodologie de simulation multiphysique permettant de simuler finement le comportement d’un MOSFET SiC lors d’une phase de court-circuit ainsi que ses conséquences en termes de fiabilité. Le court-circuit est un phénomène complexe qui peut être critique pour la durée de vie des modules de puissance MOSFET SiC. Par conséquent, nous avons appréhendé le phénomène en développant une méthode permettant de prévoir la répartition et la forme du courant lors d’une phase de court-circuit ainsi que le champ magnétique généré lors de cette phase. Dans un premier temps, une méthodologie de simulation de la puce MOSFET SiC basée sur un schéma comportemental et un modèle de Cauer a été développée. Les paramètres du modèle ont été remplacés par des équations thermo-dépendantes déterminées à l’aide d’un algorithme génétique ainsi que de la méthode des moindres carrés. Par conséquent, le temps de résolution du calcul est très court, ce qui a permis d’adapter cette méthodologie à un module de puissance MOSFET SiC complet et connecté à des jeux de barres. Cette méthode repose sur le couplage entre le modèle comportemental de puce et les modèles 3D issus de simulations électromagnétiques basées sur la résolution par éléments finis. Le couplage a permis de corréler les valeurs de courant de court-circuit mesurées avec celles simulées. Par la suite, une étude de sensibilité du courant de court-circuit en fonction des inductances du circuit électrique et de l’inertie thermique du composant a été réalisée pour mieux appréhender le phénomène. Les résultats ont permis de démontrer que la conception numérique permet d’optimiser l’environnement électrique des modules de puissance MOSFET SiC en vue de limiter ce courant lors de l’utilisation commerciale. Cette méthodologie peut être également utilisée comme donnée d’entrée dans un calcul de durée de vie du composant ou pour réaliser un jumeau numérique du module de puissance. Nous avons donc démontré la faisabilité d’une méthodologie de simulations multiphysiques permettant de modéliser les déformations thermomécaniques dues à des phases de court-circuit. Par la suite, à l’aide des outils de simulation numérique, nous avons développé une méthode de détection de la phase de court-circuit permettant de protéger le composant le plus rapidement possible. Le tore de Rogowski développé avec cette méthode a permis de diviser par deux le niveau de courant généré lors de la phase de court-circuit.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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