Fault identification in static DC/DC converters with SiC components for fuel cell applications
Identification de défauts dans les convertisseurs statiques DC/DC à composants SiC destinés aux applications pile à combustible
Résumé
The use of power converters in fuel cell electrical transport applications drives research to study the problem of their reliability, since a fault in these circuits could cause a breakdown or a malfunction that affects the entire system of the powertrain. The converter under consideration is a six-phase interleaved boost converter operating in unidirectional power flow in continuous conduction mode with a 100 kHz switching frequency and a high voltage gain (equal to 5). It allows, with the choice of passive elements, a low input current ripple and interfaces a 21kW fuel cell (70V, 300A) and a resistive load of 350V (value close to the networks with batteries Li-ion). These systems contain semiconductor power switches which are the most fragile components and are subject to severe electrical and thermal stresses for automotive applications. The use of silicon carbide technology for these semiconductor components accompanies a real industrial need for development of a miniaturized system and integrates the concerns of manufacturers of electric vehicles around the implementation of innovative, embedded and reliable technologies. Indeed, this technology of semiconductor components is certainly a serious candidate to optimize the energy efficiency and power integration of converters, for fuel cells, more robust against constraints of the transport use. In my thesis work, switch short-circuit and switch open-circuit faults of silicon carbide power switches are considered to satisfy the continuity of service and to cancel the influence of this degradation on both the fuel cell source and the charge. The proposed detection methods are simple and non-intrusive. They use the drain to source voltage VDS of the power switch as a fault indicator to judge the presence or not of a short-circuit or an open-circuit switch fault. The detection principle consists in comparing the VDS voltage with a configurable threshold voltage (to fix it for the silicon carbide component). Once the faulty inductive phase is identified, a fault management process by the control is implemented. In the case of switch short-circuit fault, firstly a control strategy is applied to soften the break of current of the faulty inductive phase. After faulty phase isolation using specific switches that support breaking of the high-current circuit (example: high-speed fuse) and a reconfiguration by the control of the power converter (transition from 6 to 6-i phases, with i number of faults). In the case of switch open-circuit fault, which automatically isolates the defective phase, if any preventive action is planned the continuity of service is ensured but to more current ripple on the arms of the DC/DC converter. To avoid this effect, reconfiguration by the command is necessary.
L’utilisation des convertisseurs de puissance dans les applications de transport électrique à base de pile à combustible ouvre les portes de recherche sur la problématique de leur fiabilité puisqu’un défaut dans ces circuits pourrait provoquer une panne ou un disfonctionnement se répercutant sur l’ensemble de la chaine de traction. Le convertisseur statique considéré est un hacheur élévateur à six bras parallèles et entrelacés à fréquence de découpage égale à 100kHz ayant un gain en tension élevé (égal à 5). Il comporte avec le choix des éléments passifs une ondulation de courant d’entrée faible et interface une pile à combustible de 21kW (70V, 300A) et une charge résistive de 350V (valeur proche des réseaux comportant des batteries Li-ion). Ces systèmes incorporent des interrupteurs de puissance semi-conducteurs qui sont les composants les plus fragiles et qui sont soumis à des contraintes électriques et thermiques sévères pour les applications automobiles. L’utilisation de la technologie en carbure de silicium pour ces cellules semi-conductrices élémentaires accompagne un réel besoin industriel des filières de développement des systèmes miniaturisés et intègre les préoccupations des constructeurs automobiles autour de la mise en œuvre opérationnelles des technologies innovantes embarquées et fiables. En effet, cette technologie des composants semi-conducteurs, dit «grand-gap», est à coup sûr un candidat sérieux pour optimiser l’efficacité énergétique et l’intégration de puissance des convertisseurs, pour pile à combustible, plus robustes vis-à-vis des contraintes de l’usage transport. Dans mes travaux de thèse, les défauts de type court-circuit et circuit-ouvert d’interrupteurs de puissance en carbure de silicium sont alors considérés pour satisfaire la continuité de service et annuler l’influence de cette dégradation d’une part sur la source électrochimique et d’autre part sur la charge. Les méthodes de détection proposées sont des méthodes simples et non intrusives. Elles utilisent la tension drain et source VDS de l’interrupteur de puissance comme indicateur de défaut pour juger de la présence d'un court-circuit ou un circuit-ouvert. Le principe de détection consiste à comparer la tension VDS à une tension seuil paramétrable (à fixer pour le composant en carbure de silicium). Une fois la phase inductive défectueuse est identifiée, un processus de de gestion des défauts par la commande est mis en œuvre. Dans le cas de court-circuit une stratégie de soulagement par la commande est appliquée pour adoucir la coupure de courant de la branche inductive en défaut. Puis suivra l’isolation de cette ligne via des interrupteurs spécifiques qui supportent une ouverture du circuit à fort courant (exemple: fusible ultra-rapide) et une reconfiguration par la commande du convertisseur de puissance (passage de 6 à 6-i phases, avec i nombre de défauts). Dans le cas de circuit-ouvert, qui un défaut qui isole automatiquement le bras défectueux, si aucune action préventive n’est planifiée la continuité de service est assurée mais à plus d’ondulations de courant sur les bras du convertisseur statique. Pour éviter cet effet, la reconfiguration par la commande est nécessaire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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