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Chapitre 1 : Les composants de forte puissance pour la traction électrique. Notions de fiabilité et durée de vie
Dans cette partie, nous nous appliquerons à définir et présenter les contraintes de
fonctionnement que subissent les composants de traction. Puis, par la suite, les diverses
méthodes pour mener une étude de fiabilité et notamment pour estimer la durée de vie de
composants électroniques seront abordées. En plus de ces méthodes, un éclairage particulier
sur les essais de Power Cycling Test sera présenté, essais dans lesquels le Laboratoire des
Technologie ouvelles de l'INRETS est largement impliquée.
4.1 Contraintes de fonctionnement dans le domaine de la
traction
4.1.1 La fatigue thermique
Dans le cadre de l'utilisation des composants pour la traction électrique, outre les
aspects de vibration mécanique et de compatibilité électromagnétique qui peuvent survenir
durant le fonctionnement, l'aspect physique le plus contraignant vis à vis de l'électronique et
des matériaux présents dans les modules, reste les contraintes thermomécaniques. Ces
contraintes, reproduites de façon cyclique tout au long de la vie du composant, entraînent des
dégradations physiques. Pour définir cette dégradation résultante de ces contraintes
répétitives, le terme de fatigue thermique est couramment employé dans la littérature
spécialisée.
4.1.2 Origines et amplitudes des contraintes thermiques
Les contraintes thermiques que subissent les modules de traction ont deux origines.
Elles sont dues aux variations de température générées par les sources internes au module ou
par des sources externes. Dans le premier cas, ce sont les pertes Joules dues aux puces, durant
le fonctionnement, qui génèrent cette température. Dans le deuxième cas, c'est
l'environnement thermique externe au module comme le moteur thermique, ou tout
simplement la température ambiante élevée, qui est en cause.
Pour ce qui est de l'amplitude de ces variations, elle peut avoir différentes origines, mais est
en général liée à l'usage que l'on fait de ces composants ou à l'environnement. Nous citons
quelques exemples ci dessous.
- loi de commande des convertisseurs statiques (MU, pleine onde....)
- type de véhicule sur lequel les composants sont montés.
- profil de la ligne (topographie du terrain sur lequel circule le véhicule).
- trafic de la circulation lors du fonctionnement.
- mode de fonctionnement du véhicule (stop & go répétitifs, long trajet ...)
- climat.
Suivant ces causes, les contraintes sont différentes sur les composants. En effet, alors que les
démarrages et arrêts répétitifs sont très nombreux (plusieurs millions de cycles) pour les
véhicules urbains et suburbains, ils n'engendrent qu'une variation relativement faible de
température de puce (LiTj;::::40°C), tandis que dans le cas des cycles climatiques (quelque
dizaines), ils produisent les plus grandes variations de température entre la période la plus
froide de l'année à l'arrêt, et la plus chaude en fonctionnement intense, soit une variation
d'environ 170°C. Les cycles saisonniers paraissent au premier abord plus contraignants pour
les composants mais le sont en réalité nettement moins que les cycles inter stations au vu du
nombre total de cycles.
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