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.
Méthodologie de simulation multiphysique du court-circuit dans les modules de puissance MOSFET SiC composant la chaîne de traction ferroviaire
