EP3635420A1 - Method and device for detecting faults and protection for power switching electronic devices - Google Patents

Method and device for detecting faults and protection for power switching electronic devices

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Publication number
EP3635420A1
EP3635420A1 EP18734277.9A EP18734277A EP3635420A1 EP 3635420 A1 EP3635420 A1 EP 3635420A1 EP 18734277 A EP18734277 A EP 18734277A EP 3635420 A1 EP3635420 A1 EP 3635420A1
Authority
EP
European Patent Office
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fault
power switching
acoustic
detected
caa
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18734277.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Friedbald KIEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut Vedecom
Original Assignee
Institut Vedecom
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP3635420A1 publication Critical patent/EP3635420A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means
    • H02H1/0015—Using arc detectors
    • H02H1/0023—Using arc detectors sensing non electrical parameters, e.g. by optical, pneumatic, thermal or sonic sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means
    • H02H1/003—Fault detection by injection of an auxiliary voltage

Definitions

  • the invention generally relates to the field of power electronics. More particularly, the invention relates to a method and a device for fault detection and protection of the smooth operation in electronic power switching devices such as power modules, converters and inverters.
  • the power modules when in use, are exposed to different operating conditions and to cycles of temperature variation which may cause defects, in particular in brazed joints, or sintered chips, and greatly reduce the life of the power modules.
  • thermo-acoustic effect it is also known to use the thermo-acoustic effect to heat the material by means of an ultrasonic acoustic wave.
  • the detection of a fault results from the comparison of the Fourier transforms of the thermal response infrared material and a reference signature specific to the material.
  • thermography solutions of the prior art require an infrared imaging camera and are designed for spot tests in manufacturing or spot inspections carried out during the life of the devices. These solutions are not suitable for continuous detection of faults in electronic power switching devices.
  • the invention relates to a fault detection method and protection of an electronic power switching device, using the thermo-acoustic effect and comprising the steps of:
  • thermoacoustic effect in the electronic power switching device when it is in operation
  • the determination step b) comprises a Fourier transform calculation of the frequency spectrum of the detected acoustic signal.
  • the invention relates to a fault detection and protection device for the implementation of the method described briefly above, the device being intended to monitor an electronic power switching device in which a defect is likely to appear.
  • the device comprises at least one acoustic sensor, an input interface comprising amplification means, typically of the type called "log-in" in English, and analog-to-digital conversion means, and a digital signal processing unit, the digital signal processing unit comprising a spectral signature calculation software module able to calculate a spectral signature of an acoustic signal detected by the acoustic sensor, a storage memory capable of storing a plurality of reference spectral signatures, and a software module for comparing and deciding a fault able to detect the presence of at least one fault in the electronic power switching device from at least one coincidence identified between the spectral signature of the signal acoustically detected and the plurality of reference spectral signatures stored in the storage memory.
  • the device according to the invention comprises a plurality of acoustic sensors and the input interface is of the multi-channel acoustic signal input type and also comprises sampling means. According to a particular characteristic, when a fault is detected, the digital signal processing unit outputs a fault signal for the monitored power electronic switching device.
  • the digital signal processing unit when a fault is detected, the digital signal processing unit outputs a fault alert, the fault alert comprising a light signaling, sound or a display on a screen with or without indication of the type of fault.
  • the fault detection and protection device comprises at least one ultrasonic acoustic sensor.
  • the invention also relates to an electronic power switching assembly comprising at least one electronic power switching device and a fault detection and protection device, as described above, which is it associated.
  • the fault detection device and associated protection controls a stop operation of the electronic power switching device or an operation thereof in a degraded mode.
  • the electronic power switching device is in the form of a power module, a converter or an inverter and comprises at least one cavity in which is housed an acoustic sensor. .
  • FIG. is a block diagram of a first embodiment of an electronic power switching assembly comprising a three-phase inverter and a fault detection and protection device according to the invention which is equipped with a single acoustic sensor
  • FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of an electronic power switching assembly comprising a three-phase inverter and another fault detection and protection device according to the invention which is equipped with three acoustic sensors.
  • Fig.3 is a sectional view of a conventional power module comprising an integrated acoustic sensor and adapted for the electronic power switching assembly of Fig.2.
  • Electronic power switching devices are constructed from power modules that are associated to form complete switching bridges such as polyphase inverters, or to be connected in parallel to pass the desired current.
  • the power module is typically a switching bridge branch.
  • the power modules whether they are built according to a planar architecture of electronic chips or according to a 3D architecture, all have a structure with stratified layers, made of insulating or conductive materials, between which are integrated the electronic chips comprising semiconductor power switches, such as MOSFET or IGBT transistors.
  • Power switches typically switch at frequencies between a few hertz and a few hundred kilohertz. This results in repetitive heat pulses that lead to the generation of thermoacoustic waves in the stratified structure of the power modules. By thermo-acoustic effect, the heat pulses are partially converted into a mechanical energy of acoustic nature. The acoustic waves propagate, are deflected or reflected in the stratified structure of the power modules and carry information on this structure.
  • the invention takes advantage of the above phenomenon to detect faults in electronic power switching devices.
  • the acoustic wave produced by the monitored power switching electronic device is detected and changes in a spectral signature deduced from its frequency spectrum are detected by comparisons to previously recorded reference spectral signatures. From the modifications of the spectral signature of the acoustic wave, the invention allows the detection of defects at an early stage.
  • the invention also allows the detection of the type of defect, such as, for example, delamination or de-stratification of the layer, a crack in the fixing of a chip, a vacuum in the structure of a power module, etc.
  • Embodiments of the invention are now described above in the context of fault detection and protection in a three-phase inverter.
  • the three-phase inverter OT1 comprises three power modules PM1A, PM1B and PM1c and a SWC switching control circuit.
  • FIG. 1 A block diagram of the power module PM1 A, with IGBT type transistors, is shown in Fig.1.
  • the power module PM1 A comprises a high IGBT transistor, marked TIHS, and a low IGBT transistor, labeled TILS, said respectively transistor “low side” and transistor “high side” in English.
  • Diodes I DHS and I DLS are respectively associated with the transistors TI HS and TILS.
  • the diode I DHS, I DLS is mounted between the collector electrode CHS, CLS, and the emitter electrode EHS, ELS, of the transistor TI HS, TI LS, respectively.
  • the collector electrode CHS of the transistor TIHS is connected to a positive DC voltage + DC and the emitter electrode ELS of the transistor TILS is connected to a negative DC voltage -DC.
  • the TIHS and TILS transistors are switched-over through their respective gate electrodes GHS and GLS.
  • the OUTA output of the PM1 module A corresponds to the point of interconnection of the emitter electrodes EHS and of the collector CLS of the transistors TIHS and TILS and delivers an alternating voltage.
  • the power modules PM1A, PM1B and PM1c may equally well include other power switches, such as MOSFET transistors or GTO thyristors, and so on.
  • the SWC switching control circuit delivers SCHS gate control signals, SCLS, which switch control the TIHS transistors, TI LS, PM1 modules A, PM1 B and PM1 c.
  • a fault detection device DEP is associated with the three-phase inverter OT1.
  • AC acoustic sensor is here placed near the inverter OT1 to detect an acoustic signal SAo emitted by it.
  • the acoustic signal SAo is supplied to an analog input of the fault detection device DEP.
  • the fault detection device DEP is built here around a dedicated electronic control unit ECU.
  • the DEP device may be implanted in a microcomputer equipped with suitable interface circuits.
  • the ECU electronic control unit comprises an acoustic signal input interface IT and a digital signal processing unit SPU.
  • the acoustic signal input interface IT comprises an input amplifier AP and an analog-digital converter CAN.
  • the input amplifier AP receives as input the acoustic signal SA o delivered by the acoustic sensor CA.
  • the input amplifier AP performs bandpass filtering on the acoustic signal SA.sub.o and adjusts the amplitude level thereof for further processing.
  • An amplified acoustic signal SAi is output by the amplifier AP.
  • the amplified acoustic signal SAi is digitized by the analog-to-digital converter CAN and then supplied to a data input port of the digital signal processing unit SPU.
  • the digital signal processing unit SPU is typically built around a ⁇ microprocessor which is associated with a ROM and a random access memory RAM, input / output interface means (not shown) and a MEM storage memory.
  • a firmware is hosted in memory in the SPU so as to provide the signal processing functions through the serial sequence of instructions.
  • the signal processing functions performed by the SPU unit are shown in FIG. 1 in the form of the FFT and CSG blocks.
  • the FFT block is a software module for calculating the spectral signature SEP of the acoustic signal SAi.
  • the spectral signature SEP is deduced from the frequency spectrum of the acoustic signal SAi which is obtained by a Fourier transformation.
  • the CSG block is a software module for comparison and fault decision.
  • the CSG block compares the spectral signature SEP of the acoustic signal SAi with a plurality of reference spectral signatures Sgn previously recorded in the storage memory MEM, so as to detect one or more possible coincidences.
  • the storage memory MEM stores a knowledge base comprising a plurality of reference spectral signatures Sgn representative of different operating states and different types of fault that may occur in the inverter OT1.
  • the CSG block decides the presence of a defect and its probable type according to the results of the comparison. When a fault in the inverter OT1 is detected by the comparison and decision module CSG, the latter outputs a fault signal D1 and can activate a fault alert WA.
  • the fault signal D1 is transmitted to the switching control circuit SWC which can then stop the operation of the inverter OT1 by blocking at an inactive level the gate control signals SCHS, SCLS, switching commander the TI transistors HS, TI LS, of the OT1 inverter.
  • the SWC switching control circuit can also control an operation of the inverter OT1 in a degraded mode when the fault detected is of lesser criticality.
  • the WA fault alert may include, for example, a light or sound signaling, or a display on a screen, with the indication or not of the type of probable fault.
  • a three-phase inverter designated OT2
  • each of the three power modules PM2A, PM2B and PM2c comprises an acoustic sensor CA integrated in its structure.
  • the inverter OT2 comprises an electronic control unit ECU2, dedicated to the fault detection and protection device according to the invention, which is integrated in a control unit UC of the inverter OT2.
  • the power modules PM2A, PM2B and PM2c are here arranged side-by-side in a planar arrangement and comprise integrated acoustic sensors CAA, CAB and CAc, respectively.
  • the control unit UC comprises a switching control circuit SWC2 and the electronic control unit ECU2.
  • the control unit UC thus provides the switching control function of the PM2A, PM2B and PM2c power modules, producing the gate control signals SCHS, SCLS, and the fault detection and protection function of the inverter OT2 in combination with CAA acoustic sensors,
  • the switching control circuit SWC2 is similar to the SWC circuit of the inverter OT1 of Fig.1 and will not be described here.
  • the ECU2 electronic control unit differs from the ECU unit of Fig.1 in that its IT2 input interface comprises three input channels, unlike the IT interface of the control unit electronic ECU which includes only one for the SAo signal.
  • the three acoustic signals designated overall SAABC, which are delivered by the acoustic sensors CAA, CAB and CAc, are input to the three channels of the interface IT2, respectively.
  • SAABC signals are filtered and amplified, then sampled and time multiplexed to be digitized by an analog-digital converter (not shown) which is analogous to the CAN converter of the IT interface (Fig.1).
  • a digital signal processing unit SPU2 included in the ECU2 electronic control unit, performs a similar processing to that performed by the digital signal processing unit SPU (FIG. 1), for each of the signals Acoustic SAABC. If a fault is detected, it is signaled to the switching control circuit SWC2 which stops the operation of the inverter OT2 or controls a degraded mode, according to the severity of the fault detected. In this embodiment of the invention, since each of the power modules is equipped with its own acoustic sensor, the detection of a fault in the power module is facilitated with respect to the embodiment of FIG. .1.
  • the method of the invention is suitable for a spatial location of the fault in an electronic power switching device.
  • this spatial location functionality can be implemented using, for example, three acoustic sensors which are respectively arranged along three different directional axes (X, Y, Z) defining a spatial reference.
  • the spatial location of the fault is deduced from the acoustic signals provided by the three sensors.
  • An example of a PM2A power module comprising a CAA acoustic sensor, and adapted to be integrated in the OT2 inverter, is shown in Fig.3.
  • the PM2A power module here has a conventional planar configuration and includes electronic chips P1, P2, which are fixed on a substrate type DBC (Direct Bond Copper).
  • the CAS housing of the PM2A module is here made by overmolding with a resin. Note that in other embodiments, the PM2A power module will include a chip-containing package filled with an insulating gel.
  • the chips ⁇ 1 and P2 apparent in the sectional view of FIG. 3, are respectively a transistor T1 and its associated diode D1 (see FIG. 1) of the switching branch. Chips P1 and P2 are brazed to a copper top surface of the SUB substrate. CU copper conductors and BO bonding wires provide the electrical connections inside the PM2A power module and with external BC connection terminals. A copper underside of the substrate SUB is soldered to a metal base SEM. The sole SEM is in close thermal contact with a heat sink DIS. The heat sink DIS is here of circulating type of a heat transfer fluid CAL. As shown in FIG.
  • the acoustic sensor CAA is placed in the center of a cavity HO arranged in the overmolded casing CAS of the power module PM2A.
  • the acoustic sensor CAA is typically a piezoelectric type ultrasonic detector whose resonance frequency substantially corresponds to the switching frequency of the power module, for example of the order of 40 kHz.
  • the shape and dimensions of the HO cavity are chosen so as to improve the reception of the acoustic wave signal by the CAA sensor.
  • a wafer of porous material PP may be disposed in the cavity HO so as to filter a noise of the acoustic wave.

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Abstract

The method detects a fault in a power switching electronic device (OT1) by using the thermo-acoustic effect and comprises the steps of: a) detecting an acoustic signal (SA) generated by thermo-acoustic effect in the electronic device when it is in operation; determining (FFT) a frequency spectrum of the detected acoustic signal and obtaining, from the frequency spectrum, a spectral signature (SEP) associated with the detected acoustic signal; comparing (CSG) the spectral signature (SEP) with a plurality of reference spectral signatures (Sgn); and, deciding (CSG) on the presence of at least one fault in the electronic device when at least one coincidence is identified in the comparison step c) between the spectral signature and the plurality of reference spectral signatures.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DE DEFAUT ET PROTECTION POUR DES DISPOSITIFS ÉLECTRONIQUES DE COMMUTATION DE PUISSANCE  METHOD AND DEVICE FOR FAULT DETECTION AND PROTECTION FOR ELECTRONIC POWER SWITCHING DEVICES
[001 ] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1755041 déposée le 7 juin 2017 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence. [001] The present invention claims the priority of the French application 1755041 filed June 7, 2017 whose content (text, drawings and claims) is here incorporated by reference.
[002] L'invention concerne de manière générale le domaine de l'électronique de puissance. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé et un dispositif de détection de défaut et de protection du bon fonctionnement dans des dispositifs électroniques de commutation de puissance tels que les modules de puissance, les convertisseurs et les onduleurs. [002] The invention generally relates to the field of power electronics. More particularly, the invention relates to a method and a device for fault detection and protection of the smooth operation in electronic power switching devices such as power modules, converters and inverters.
[003] Les dispositifs électroniques de commutation de puissance sont présents dans de nombreux domaines d'activité et jouent un rôle de plus en plus important, par exemple, dans le ferroviaire, les voitures électriques et hybrides et l'aéronautique. Avec la transition énergétique souhaitée vers des sources d'énergie renouvelable moins productrices d'émissions de CO2, l'électronique de puissance est appelée à se généraliser encore davantage et devra répondre à des contraintes économiques et technologiques croissantes. [004] De manière à répondre aux besoins, notamment en termes de puissance et de compacité, un intérêt considérable est porté sur le développement de modules de puissance fonctionnant avec une densité de puissance élevée. Ces modules de puissance sont amenés à fonctionner dans une large gamme de température, typiquement de -50 ° C à 175° C ou à destempératures encore plus hautes, ce qui soumet les composants semi-conducteurs et les assemblages à de fortes contraintes. [003] Electronic power switching devices are present in many fields of activity and play an increasingly important role, for example, in railways, electric and hybrid cars and aeronautics. With the desired energy transition towards renewable sources of energy that produce less CO2 emissions, power electronics will become more widespread and will have to respond to increasing economic and technological constraints. [004] In order to meet the needs, particularly in terms of power and compactness, considerable interest is focused on the development of power modules operating with a high power density. These power modules are operated in a wide temperature range, typically from -50 ° C to 175 ° C or even higher temperatures, which subjects the semiconductor components and assemblies to high stresses.
[005] La fabrication des modules de puissance requiert des contrôles rigoureux, particulièrement en fin de fabrication, pour détecter d'éventuels défauts dans les puces électroniques et dans les assemblages qui incluent notamment des substrats, des semelles, des métallisations, des brasures, des fils d'interconnexion électrique dits « fils de bonding » ou d'autres moyens d'interconnexion électriques des puces, etc. [005] The manufacture of power modules requires rigorous controls, particularly at the end of manufacture, to detect possible defects in electronic chips and assemblies that include substrates, soles, metallizations, solders, interconnecting wires so-called "bonding wires" or other means of electrical interconnection of chips, etc.
[006] Par ailleurs, lorsqu'ils sont en service, les modules de puissance sont exposés à différentes conditions de fonctionnement et à des cycles de variation de température qui peuvent entraîner des défauts, notamment dans les joints brasés, ou frittés des puces, et diminuer fortement la durée de vie des modules de puissance. Moreover, when in use, the power modules are exposed to different operating conditions and to cycles of temperature variation which may cause defects, in particular in brazed joints, or sintered chips, and greatly reduce the life of the power modules.
[007] Le test des dispositifs électroniques de commutation de puissance en fabrication et en cours de vie est donc nécessaire pour garantir leurs performances et leur fiabilité. [007] The testing of electronic power switching devices in manufacturing and in the course of life is necessary to guarantee their performance and reliability.
[008] Dans la thèse Observations of Acoustic Emission in Power Semiconductors" de Kàrkkàinen Tommi, ISBN 978-952-2659-1 1 -8, l'auteur présente des résultats d'étude et des observations sur des phénomènes acoustiques mis en évidence dans des puces de semiconducteurs de puissance et suggère que de tels phénomènes pourraient être utilisés pour la détection des défaillances des puces. L'auteur identifie trois types d'émissions acoustiques, à savoir, une émission acoustique liée à des commutations dans la puce, une émission acoustique à l'instant d'une défaillance de la puce et une émission acoustique après la destruction de celle-ci. L'auteur associe ces phénomènes à des décharges électriques ou l'effet piézo-électrique. Ce document ne décrit aucune solution pour la détection des défauts dans les dispositifs électroniques de commutation de puissance. [008] In the thesis Observations of Acoustic Emission in Power Semiconductors "by Kakkainen Tommi, ISBN 978-952-2659-1 1-8, the author presents study results and observations on acoustic phenomena highlighted in Power semiconductor chips and suggests that such phenomena could be used to detect chip failures.The author identifies three types of acoustic emissions, namely, an acoustic emission related to switching in the chip, an emission acoustic at the moment of a failure of the chip and an acoustic emission after the destruction of the latter.The author associates these phenomena with electric shocks or the piezoelectric effect.This document does not describe any solution for the fault detection in electronic power switching devices.
[009] Dans l'état de la technique, pour la détection de défaut dans un matériau, il est connu de chauffer le matériau de manière puisée, par rayonnement thermique, et d'identifier un défaut à partir de sa réponse thermique sous la forme d'une image de thermographie infrarouge. [009] In the state of the art, for defect detection in a material, it is known to heat the material in a pulsed manner, by thermal radiation, and to identify a defect from its thermal response in the form of an infrared thermography image.
[0010] Il est également connu d'utiliser l'effet thermo-acoustique pour chauffer le matériau au moyen d'une onde acoustique ultrasonore. La détection d'un défaut résulte de la comparaison des transformées de Fourier de la réponse thermique infrarouge du matériau et d'une signature thermique de référence propre au matériau. It is also known to use the thermo-acoustic effect to heat the material by means of an ultrasonic acoustic wave. The detection of a fault results from the comparison of the Fourier transforms of the thermal response infrared material and a reference signature specific to the material.
[001 1 ] Les solutions de thermographie ci-dessus de la technique antérieure requièrent une caméra d'imagerie infrarouge et sont conçues pour des tests ponctuels en fabrication ou des inspections ponctuelles effectuées au cours de la vie des dispositifs. Ces solutions ne sont pas adaptées pour une détection en continu des défauts dans les dispositifs électroniques de commutation de puissance. [001 1] The above thermography solutions of the prior art require an infrared imaging camera and are designed for spot tests in manufacturing or spot inspections carried out during the life of the devices. These solutions are not suitable for continuous detection of faults in electronic power switching devices.
[0012] Il existe un besoin pour un procédé de détection de défaut et protection dans les dispositifs électroniques de commutation de puissance qui autorise une architecture de dispositif de détection de défaut et protection plus compacte et économique, ainsi qu'une détection en continu des défauts. [0012] There is a need for a fault detection and protection method in electronic power switching devices that allows a more compact and economical fault detection and protection device architecture, as well as continuous detection of faults. .
[0013] Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de détection de défaut et protection d'un dispositif électronique de commutation de puissance, faisant appel à l'effet thermo-acoustique et comprenant les étapes de : According to a first aspect, the invention relates to a fault detection method and protection of an electronic power switching device, using the thermo-acoustic effect and comprising the steps of:
- a) détection d'un signal acoustique généré par effet thermo-acoustique dans le dispositif électronique de commutation de puissance lorsque celui-ci est en fonctionnement, a) detecting an acoustic signal generated by thermoacoustic effect in the electronic power switching device when it is in operation,
- b) détermination d'un spectre fréquentiel du signal acoustique détecté et obtention à partir du spectre fréquentiel d'une signature spectrale associée au signal acoustique détecté, b) determining a frequency spectrum of the detected acoustic signal and obtaining from the frequency spectrum a spectral signature associated with the detected acoustic signal,
- c) comparaison de la signature spectrale détectée à une pluralité de signatures spectrales de référence, et c) comparing the detected spectral signature with a plurality of reference spectral signatures, and
- d) décision sur la présence d'au moins un défaut dans le dispositif électronique de commutation de puissance lorsqu'au moins une coïncidence est identifiée dans l'étape de comparaison c) entre la signature spectrale détectée et la pluralité de signatures spectrales de référence. [0014] Selon une caractéristique particulière du procédé, l'étape de détermination b) comprend un calcul par transformation de Fourier du spectre fréquentiel du signal acoustique détecté. d) deciding on the presence of at least one fault in the electronic power switching device when at least one coincidence is identified in the comparing step c) between the detected spectral signature and the plurality of reference spectral signatures . According to a particular characteristic of the method, the determination step b) comprises a Fourier transform calculation of the frequency spectrum of the detected acoustic signal.
[0015] Selon un second aspect, l'invention concerne un dispositif de détection de défaut et protection pour la mise en œuvre du procédé décrit brièvement ci- dessus, le dispositif étant destiné à surveiller un dispositif électronique de commutation de puissance dans lequel un défaut est susceptible d'apparaître. Conformément à l'invention, le dispositif comprend au moins un capteur acoustique, une interface d'entrée comportant des moyens d'amplification, typiquement du type dit « log-in » en anglais, et des moyens de conversion analogique-numérique, et une unité numérique de traitement de signal, l'unité numérique de traitement de signal comprenant un module logiciel de calcul de signature spectrale apte à calculer une signature spectrale d'un signal acoustique détecté par le capteur acoustique, une mémoire de stockage apte à stocker une pluralité de signatures spectrales de référence, et un module logiciel de comparaison et décision de défaut apte à détecter la présence d'au moins un défaut dans le dispositif électronique de commutation de puissance à partir d'au moins une coïncidence identifiée entre la signature spectrale du signal acoustique détecté et la pluralité de signatures spectrales de référence stockées dans la mémoire de stockage. According to a second aspect, the invention relates to a fault detection and protection device for the implementation of the method described briefly above, the device being intended to monitor an electronic power switching device in which a defect is likely to appear. According to the invention, the device comprises at least one acoustic sensor, an input interface comprising amplification means, typically of the type called "log-in" in English, and analog-to-digital conversion means, and a digital signal processing unit, the digital signal processing unit comprising a spectral signature calculation software module able to calculate a spectral signature of an acoustic signal detected by the acoustic sensor, a storage memory capable of storing a plurality of reference spectral signatures, and a software module for comparing and deciding a fault able to detect the presence of at least one fault in the electronic power switching device from at least one coincidence identified between the spectral signature of the signal acoustically detected and the plurality of reference spectral signatures stored in the storage memory.
[0016] Selon une autre forme de réalisation, le dispositif selon l'invention comprend plusieurs capteurs acoustiques et l'interface d'entrée est de type à plusieurs voies d'entrée de signal acoustique et comprend également des moyens d'échantillonnage. [0017] Selon une caractéristique particulière, lorsqu'un défaut est détecté, l'unité numérique de traitement de signal délivre en sortie un signal de défaut à l'intention du dispositif électronique de commutation de puissance sous surveillance. According to another embodiment, the device according to the invention comprises a plurality of acoustic sensors and the input interface is of the multi-channel acoustic signal input type and also comprises sampling means. According to a particular characteristic, when a fault is detected, the digital signal processing unit outputs a fault signal for the monitored power electronic switching device.
[0018] Selon une autre caractéristique particulière, lorsqu'un défaut est détecté, l'unité numérique de traitement de signal délivre en sortie une alerte de défaut, l'alerte de défaut comprenant une signalisation lumineuse, sonore ou bien un affichage sur un écran avec ou sans indication du type de défaut. [0019] Selon encore une autre caractéristique particulière, le dispositif de détection de défaut et protection selon l'invention comprend au moins un capteur acoustique ultrasonore. According to another particular characteristic, when a fault is detected, the digital signal processing unit outputs a fault alert, the fault alert comprising a light signaling, sound or a display on a screen with or without indication of the type of fault. According to yet another particular characteristic, the fault detection and protection device according to the invention comprises at least one ultrasonic acoustic sensor.
[0020] Selon encore un autre aspect, l'invention concerne également un ensemble électronique de commutation de puissance comprenant au moins un dispositif électronique de commutation de puissance et un dispositif de détection de défaut et protection, comme décrit ci-dessus, qui lui est associé. In yet another aspect, the invention also relates to an electronic power switching assembly comprising at least one electronic power switching device and a fault detection and protection device, as described above, which is it associated.
[0021 ] Selon une caractéristique particulière de l'ensemble électronique de commutation de puissance selon l'invention, lorsqu'un défaut est détecté, le dispositif de détection de défaut et protection associé commande un arrêt du fonctionnement du dispositif électronique de commutation de puissance ou un fonctionnement de celui-ci dans un mode dégradé. According to a particular characteristic of the electronic power switching assembly according to the invention, when a fault is detected, the fault detection device and associated protection controls a stop operation of the electronic power switching device or an operation thereof in a degraded mode.
[0022] Selon une autre caractéristique particulière, le dispositif électronique de commutation de puissance se présente sous la forme d'un module de puissance, d'un convertisseur ou d'un onduleur et comporte au moins une cavité dans laquelle est logé un capteur acoustique. According to another particular characteristic, the electronic power switching device is in the form of a power module, a converter or an inverter and comprises at least one cavity in which is housed an acoustic sensor. .
[0023] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig.1 est un bloc-diagramme d'une première forme de réalisation d'un ensemble électronique de commutation de puissance comprenant un onduleur triphasé et un dispositif de détection de défaut et protection selon l'invention qui est équipé d'un seul capteur acoustique ; la Fig.2 est un bloc-diagramme d'une deuxième forme de réalisation d'un ensemble électronique de commutation de puissance comprenant un onduleur triphasé et un autre dispositif de détection de défaut et protection selon l'invention qui est équipé de trois capteurs acoustiques ; et la Fig.3 est une vue en coupe d'un module de puissance classique comprenant un capteur acoustique intégré et adapté pour l'ensemble électronique de commutation de puissance de la Fig.2. Other advantages and features of the present invention will appear more clearly on reading the detailed description below of several particular embodiments of the invention, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. is a block diagram of a first embodiment of an electronic power switching assembly comprising a three-phase inverter and a fault detection and protection device according to the invention which is equipped with a single acoustic sensor; FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of an electronic power switching assembly comprising a three-phase inverter and another fault detection and protection device according to the invention which is equipped with three acoustic sensors. ; and Fig.3 is a sectional view of a conventional power module comprising an integrated acoustic sensor and adapted for the electronic power switching assembly of Fig.2.
[0024] Les dispositifs électroniques de commutation de puissance sont construits à partir de modules de puissance qui sont associés pour former des ponts complets de commutation tels que des onduleurs polyphasés, ou pour être connectés en parallèle afin de passer le courant voulu. Le module de puissance est typiquement une branche de pont de commutation. Electronic power switching devices are constructed from power modules that are associated to form complete switching bridges such as polyphase inverters, or to be connected in parallel to pass the desired current. The power module is typically a switching bridge branch.
[0025] Les modules de puissance, qu'ils soient construits selon une architecture planaire des puces électroniques ou selon une architecture 3D, ont tous une structure avec des couches stratifiées, faites de matériaux isolants ou conducteurs, entre lesquelles sont intégrées les puces électroniques comprenant les interrupteurs de puissance à semiconducteur, tels que des transistors MOSFET ou IGBT. Les interrupteurs de puissance commutent typiquement à des fréquences comprises entre quelques hertz et quelques centaines de kilohertz. Il en découle des impulsions répétitives de chaleur qui conduisent à la génération d'ondes thermo-acoustiques dans la structure stratifiée des modules de puissance. Par effet thermo-acoustique, les impulsions de chaleur sont converties partiellement en une énergie mécanique de nature acoustique. Les ondes acoustiques se propagent, sont déviées ou réfléchies dans la structure stratifiée des modules de puissance et sont porteuses d'information sur cette structure. The power modules, whether they are built according to a planar architecture of electronic chips or according to a 3D architecture, all have a structure with stratified layers, made of insulating or conductive materials, between which are integrated the electronic chips comprising semiconductor power switches, such as MOSFET or IGBT transistors. Power switches typically switch at frequencies between a few hertz and a few hundred kilohertz. This results in repetitive heat pulses that lead to the generation of thermoacoustic waves in the stratified structure of the power modules. By thermo-acoustic effect, the heat pulses are partially converted into a mechanical energy of acoustic nature. The acoustic waves propagate, are deflected or reflected in the stratified structure of the power modules and carry information on this structure.
[0026] L'invention met à profit le phénomène ci-dessus pour détecter des défauts dans des dispositifs électroniques de commutation de puissance. L'onde acoustique produite par le dispositif électronique de commutation de puissance surveillé est détectée et des modifications d'une signature spectrale déduite de son spectre fréquentiel sont détectées par des comparaisons à des signatures spectrales de référence précédemment enregistrées. A partir des modifications de la signature spectrale de l'onde acoustique, l'invention autorise la détection des défauts à un stade précoce. L'Invention autorise aussi la détection du type du défaut, comme par exemple un décollement ou une dé-stratification de couche, une fissure dans la fixation d'une puce, un vide dans la structure d'un module de puissance, etc. The invention takes advantage of the above phenomenon to detect faults in electronic power switching devices. The acoustic wave produced by the monitored power switching electronic device is detected and changes in a spectral signature deduced from its frequency spectrum are detected by comparisons to previously recorded reference spectral signatures. From the modifications of the spectral signature of the acoustic wave, the invention allows the detection of defects at an early stage. The invention also allows the detection of the type of defect, such as, for example, delamination or de-stratification of the layer, a crack in the fixing of a chip, a vacuum in the structure of a power module, etc.
[0027] Il est ainsi possible grâce à l'invention de contrôler et filtrer en fabrication les dispositifs électroniques de commutation de puissance, en vérifiant leurs réponses acoustiques par rapport à des spécifications prédéfinies. En cours de vie, l'état de santé d'un dispositif électronique de commutation de puissance peut être suivi, en continu ou avec une périodicité prédéfinie, par une unité de contrôle électronique qui analyse les ondes acoustiques émises par le dispositif de manière à détecter la présence d'un défaut et à protéger le dispositif d'un risque de détérioration. It is thus possible thanks to the invention to control and filter manufacturing electronic switching power devices, by checking their acoustic responses against predefined specifications. In the course of life, the state of health of an electronic power switching device can be monitored, continuously or with a predefined periodicity, by an electronic control unit which analyzes the acoustic waves emitted by the device so as to detect the presence of a defect and to protect the device from a risk of deterioration.
[0028] Des formes de réalisation de l'invention sont maintenant décrites ci-dessus dans le cadre de la détection de défaut et de la protection dans un onduleur triphasé. Embodiments of the invention are now described above in the context of fault detection and protection in a three-phase inverter.
[0029] Comme montré à la Fig.1 , l'onduleur triphasé OT1 comprend trois modules de puissance PM1 A, PM1 B et PM1 c et un circuit de commande de commutation SWC. As shown in FIG. 1, the three-phase inverter OT1 comprises three power modules PM1A, PM1B and PM1c and a SWC switching control circuit.
[0030] Un schéma de principe du module de puissance PM1 A, avec des transistors de type IGBT, est représenté à la Fig.1 . Le module de puissance PM1 A comprend un transistor IGBT haut, repéré TIHS, et un transistor IGBT bas, repéré TILS, dits respectivement transistor «low side» et transistor «high side» en anglais. Des diodes I DHS et I DLS, dites de « roue libre », sont respectivement associées aux transistors TI HS et TILS. La diode I DHS, I DLS, est montée entre l'électrode de collecteur CHS, CLS, et l'électrode d'émetteur EHS, ELS, du transistor TI HS, TI LS, respectivement. L'électrode de collecteur CHS du transistor TIHS est reliée à une tension continue positive +DC et l'électrode d'émetteur ELS du transistor TILS est reliée à une tension continue négative -DC. Les transistors TIHS et TILS sont commandés en commutation à travers leurs électrodes de grille respectives GHS et GLS. La sortie OUTA du module PM1 A correspond au point d'interconnexion des électrodes d'émetteur EHS et de collecteur CLS des transistors TIHS et TILS et délivre une tension alternative. [0031 ] On notera également que les modules de puissance PM1 A, PM1 B et PM1 c pourront tout aussi bien comprendre d'autres interrupteurs de puissance, tels que des transistors MOSFET ou des thyristors GTO, etc. A block diagram of the power module PM1 A, with IGBT type transistors, is shown in Fig.1. The power module PM1 A comprises a high IGBT transistor, marked TIHS, and a low IGBT transistor, labeled TILS, said respectively transistor "low side" and transistor "high side" in English. Diodes I DHS and I DLS, called "freewheeling", are respectively associated with the transistors TI HS and TILS. The diode I DHS, I DLS, is mounted between the collector electrode CHS, CLS, and the emitter electrode EHS, ELS, of the transistor TI HS, TI LS, respectively. The collector electrode CHS of the transistor TIHS is connected to a positive DC voltage + DC and the emitter electrode ELS of the transistor TILS is connected to a negative DC voltage -DC. The TIHS and TILS transistors are switched-over through their respective gate electrodes GHS and GLS. The OUTA output of the PM1 module A corresponds to the point of interconnection of the emitter electrodes EHS and of the collector CLS of the transistors TIHS and TILS and delivers an alternating voltage. It will also be noted that the power modules PM1A, PM1B and PM1c may equally well include other power switches, such as MOSFET transistors or GTO thyristors, and so on.
[0032] Le circuit de commande de commutation SWC délivre des signaux de commande de grille SCHS, SCLS, qui commandent en commutation les transistors TIHS, TI LS, des modules PM1 A, PM1 B et PM1 c. The SWC switching control circuit delivers SCHS gate control signals, SCLS, which switch control the TIHS transistors, TI LS, PM1 modules A, PM1 B and PM1 c.
[0033] Comme montré à la Fig.1 , un dispositif de détection de défaut DEP est associé à l'onduleur triphasé OT1 . Un capteur acoustique CA est ici placé à proximité de l'onduleur OT1 pour détecter un signal acoustique SAo émis par celui- ci. Le signal acoustique SAo est fourni à une entrée analogique du dispositif de détection de défaut DEP. As shown in Fig.1, a fault detection device DEP is associated with the three-phase inverter OT1. AC acoustic sensor is here placed near the inverter OT1 to detect an acoustic signal SAo emitted by it. The acoustic signal SAo is supplied to an analog input of the fault detection device DEP.
[0034] Le dispositif de détection de défaut DEP est construit ici autour d'une unité de contrôle électronique ECU dédiée. Dans une autre forme de réalisation, le dispositif DEP pourra être implanté dans un micro-ordinateur équipé de circuits d'interface adaptés. The fault detection device DEP is built here around a dedicated electronic control unit ECU. In another embodiment, the DEP device may be implanted in a microcomputer equipped with suitable interface circuits.
[0035] L'unité de contrôle électronique ECU comprend une interface d'entrée de signal acoustique IT et une unité numérique de traitement de signal SPU. The ECU electronic control unit comprises an acoustic signal input interface IT and a digital signal processing unit SPU.
[0036] L'interface d'entrée de signal acoustique IT comprend un amplificateur d'entrée AP et un convertisseur analogique-numérique CAN. L'amplificateur d'entrée AP reçoit en entrée le signal acoustique SAo délivré par le capteur acoustique CA. L'amplificateur d'entrée AP effectue un filtrage passe-bande sur le signal acoustique SAo et ajuste le niveau d'amplitude de celui-ci pour le traitement ultérieur. Un signal acoustique amplifié SAi est délivré en sortie par l'amplificateur AP. Le signal acoustique amplifié SAi est numérisé par le convertisseur analogique-numérique CAN pour être ensuite fourni à un port d'entrée de données de l'unité numérique de traitement de signal SPU. The acoustic signal input interface IT comprises an input amplifier AP and an analog-digital converter CAN. The input amplifier AP receives as input the acoustic signal SA o delivered by the acoustic sensor CA. The input amplifier AP performs bandpass filtering on the acoustic signal SA.sub.o and adjusts the amplitude level thereof for further processing. An amplified acoustic signal SAi is output by the amplifier AP. The amplified acoustic signal SAi is digitized by the analog-to-digital converter CAN and then supplied to a data input port of the digital signal processing unit SPU.
[0037] L'unité numérique de traitement de signal SPU est typiquement construite autour d'un microprocesseur μΡ auquel sont associés une mémoire morte ROM et une mémoire vive RAM, des moyens d'interface d'entrée/sortie (non représentés) et une mémoire de stockage MEM. Un microprogramme est hébergé en mémoire dans l'unité SPU de manière à assurer les fonctions de traitement de signal à travers le déroulement séquentiel de série d'instructions. The digital signal processing unit SPU is typically built around a μΡ microprocessor which is associated with a ROM and a random access memory RAM, input / output interface means (not shown) and a MEM storage memory. A firmware is hosted in memory in the SPU so as to provide the signal processing functions through the serial sequence of instructions.
[0038] Les fonctions de traitement de signal réalisées par l'unité SPU sont montrées à la Fig.1 sous la forme des blocs FFT et CSG. [0039] Le bloc FFT est un module logiciel de calcul de la signature spectrale SEP du signal acoustique SAi . La signature spectrale SEP est déduite du spectre fréquentiel du signal acoustique SAi qui est obtenu par une transformation de Fourier. The signal processing functions performed by the SPU unit are shown in FIG. 1 in the form of the FFT and CSG blocks. The FFT block is a software module for calculating the spectral signature SEP of the acoustic signal SAi. The spectral signature SEP is deduced from the frequency spectrum of the acoustic signal SAi which is obtained by a Fourier transformation.
[0040] Le bloc CSG est un module logiciel de comparaison et de décision de défaut. Le bloc CSG compare la signature spectrale SEP du signal acoustique SAi à une pluralité de signatures spectrales de référence Sgn précédemment enregistrées dans la mémoire de stockage MEM, de manière à détecter une ou plusieurs coïncidences éventuelles. La mémoire de stockage MEM stocke une base de connaissance comprenant une pluralité de signatures spectrales de référence Sgn représentatives de différents états de fonctionnement et différents types de défaut pouvant survenir dans l'onduleur OT1 . Le bloc CSG décide de la présence d'un défaut et de son type probable en fonction des résultats de la comparaison. Lorsqu'un défaut dans l'onduleur OT1 est détecté par le module de comparaison et décision CSG, celui-ci délivre en sortie un signal de défaut Dl et peut activer une alerte de défaut WA. The CSG block is a software module for comparison and fault decision. The CSG block compares the spectral signature SEP of the acoustic signal SAi with a plurality of reference spectral signatures Sgn previously recorded in the storage memory MEM, so as to detect one or more possible coincidences. The storage memory MEM stores a knowledge base comprising a plurality of reference spectral signatures Sgn representative of different operating states and different types of fault that may occur in the inverter OT1. The CSG block decides the presence of a defect and its probable type according to the results of the comparison. When a fault in the inverter OT1 is detected by the comparison and decision module CSG, the latter outputs a fault signal D1 and can activate a fault alert WA.
[0041 ] Le signal de défaut Dl est transmis au circuit de commande de commutation SWC qui peut alors arrêter le fonctionnement de l'onduleur OT1 en bloquant à un niveau inactif les signaux de commande de grille SCHS, SCLS, commandant en commutation les transistors TI HS, TI LS, de l'onduleur OT1 . Le circuit de commande de commutation SWC peut également commander un fonctionnement de l'onduleur OT1 dans un mode dégradé lorsque le défaut délecté est de moindre criticité. The fault signal D1 is transmitted to the switching control circuit SWC which can then stop the operation of the inverter OT1 by blocking at an inactive level the gate control signals SCHS, SCLS, switching commander the TI transistors HS, TI LS, of the OT1 inverter. The SWC switching control circuit can also control an operation of the inverter OT1 in a degraded mode when the fault detected is of lesser criticality.
[0042] L'alerte de défaut WA peut inclure par exemple une signalisation lumineuse ou sonore, ou un affichage sur un écran, avec l'indication ou pas du type de défaut probable. [0043] En référence aux Figs.2 et 3, il est maintenant décrit une autre forme de réalisation d'un onduleur triphasé, désignée OT2, dans laquelle chacun des trois modules de puissance PM2A, PM2B et PM2c comporte un capteur acoustique CA intégré dans sa structure. De plus, dans cette forme de réalisation, l'onduleur OT2 comporte une unité de contrôle électronique ECU2, dédiée au dispositif de détection de défaut et protection selon l'invention, qui est intégrée dans une unité de commande UC de l'onduleur OT2. The WA fault alert may include, for example, a light or sound signaling, or a display on a screen, with the indication or not of the type of probable fault. Referring to Figs.2 and 3, there is now described another embodiment of a three-phase inverter, designated OT2, wherein each of the three power modules PM2A, PM2B and PM2c comprises an acoustic sensor CA integrated in its structure. In addition, in this embodiment, the inverter OT2 comprises an electronic control unit ECU2, dedicated to the fault detection and protection device according to the invention, which is integrated in a control unit UC of the inverter OT2.
[0044] Comme montré à la Fig.2, les modules de puissance PM2A, PM2B et PM2c sont ici disposés côte-à-côte selon une disposition planaire et comportent des capteurs acoustiques CAA, CAB et CAc intégrés, respectivement. As shown in FIG. 2, the power modules PM2A, PM2B and PM2c are here arranged side-by-side in a planar arrangement and comprise integrated acoustic sensors CAA, CAB and CAc, respectively.
[0045] L'unité de commande UC comprend un circuit de commande de commutation SWC2 et l'unité de contrôle électronique ECU2. L'unité de commande UC assure ainsi la fonction de commande de commutation des modules de puissance PM2A, PM2B et PM2c, en produisant les signaux de commande de grille SCHS, SCLS, et la fonction de détection de défaut et de protection de l'onduleur OT2 en association avec les capteurs acoustiques CAA, The control unit UC comprises a switching control circuit SWC2 and the electronic control unit ECU2. The control unit UC thus provides the switching control function of the PM2A, PM2B and PM2c power modules, producing the gate control signals SCHS, SCLS, and the fault detection and protection function of the inverter OT2 in combination with CAA acoustic sensors,
[0046] Le circuit de commande de commutation SWC2 est analogue au circuit SWC de l'onduleur OT1 de la Fig.1 et ne sera pas décrit ici. [0047] L'unité de contrôle électronique ECU2 se distingue de l'unité ECU de la Fig.1 en ce que son interface d'entrée IT2 comprend trois voies d'entrée, contrairement à l'interface IT de l'unité de contrôle électronique ECU qui n'en comprend qu'une seule pour le signal SAo. Les trois signaux acoustiques, désignés globalement SAABC, qui sont délivrés par les capteurs acoustiques CAA, CAB et CAc, sont fournis en entrée aux trois voies de l'interface IT2, respectivement. Les signaux SAABC sont filtrés et amplifiés, puis sont échantillonnés et multiplexés temporellement pour être numérisés par un convertisseur analogique-numérique (non représenté) qui est analogue au convertisseur CAN de l'interface IT (Fig.1 ). Une unité numérique de traitement de signal SPU2, comprise dans l'unité de contrôle électronique ECU2, effectue un traitement analogue à celui effectué par l'unité numérique de traitement de signal SPU (Fig.1 ), pour chacun des signaux acoustiques SAABC. En cas de détection d'un défaut, celui-ci est signalé au circuit de commande de commutation SWC2 qui arrête le fonctionnement de l'onduleur OT2 ou commande un mode dégradé, selon la gravité du défaut détecté. Dans cette forme de réalisation de l'invention, du fait que chacun des modules de puissance est équipé de son propre capteur acoustique, la détection d'un défaut au niveau du module de puissance est facilitée par rapport à la forme de réalisation de la Fig.1 . The switching control circuit SWC2 is similar to the SWC circuit of the inverter OT1 of Fig.1 and will not be described here. The ECU2 electronic control unit differs from the ECU unit of Fig.1 in that its IT2 input interface comprises three input channels, unlike the IT interface of the control unit electronic ECU which includes only one for the SAo signal. The three acoustic signals, designated overall SAABC, which are delivered by the acoustic sensors CAA, CAB and CAc, are input to the three channels of the interface IT2, respectively. SAABC signals are filtered and amplified, then sampled and time multiplexed to be digitized by an analog-digital converter (not shown) which is analogous to the CAN converter of the IT interface (Fig.1). A digital signal processing unit SPU2, included in the ECU2 electronic control unit, performs a similar processing to that performed by the digital signal processing unit SPU (FIG. 1), for each of the signals Acoustic SAABC. If a fault is detected, it is signaled to the switching control circuit SWC2 which stops the operation of the inverter OT2 or controls a degraded mode, according to the severity of the fault detected. In this embodiment of the invention, since each of the power modules is equipped with its own acoustic sensor, the detection of a fault in the power module is facilitated with respect to the embodiment of FIG. .1.
[0048] On notera que le procédé de l'invention est adapté pour une localisation spatiale du défaut dans un dispositif électronique de commutation de puissance. Ainsi, cette fonctionnalité de localisation spatiale pourra être implantée à l'aide, par exemple, de trois capteurs acoustiques qui sont disposés respectivement selon trois axes directionnels différents (X, Y, Z) définissant un repère spatial. La localisation spatiale du défaut est déduite à partir des signaux acoustiques fournis par les trois capteurs. [0049] Un exemple d'un module de puissance PM2A comprenant un capteur acoustique CAA, et apte à être intégré dans l'onduleur OT2, est montré à la Fig.3. It will be noted that the method of the invention is suitable for a spatial location of the fault in an electronic power switching device. Thus, this spatial location functionality can be implemented using, for example, three acoustic sensors which are respectively arranged along three different directional axes (X, Y, Z) defining a spatial reference. The spatial location of the fault is deduced from the acoustic signals provided by the three sensors. An example of a PM2A power module comprising a CAA acoustic sensor, and adapted to be integrated in the OT2 inverter, is shown in Fig.3.
[0050] Le module de puissance PM2A a ici une configuration planaire classique et comprend des puces électroniques P1 , P2, qui sont fixées sur un substrat SUB de type DBC (de « Direct Bond Copper » en anglais). Le boîtier CAS du module PM2A est ici réalisé par un surmoulage avec une résine. On notera que, dans d'autres formes de réalisation, le module de puissance PM2A comprendra un boîtier contenant les puces et rempli d'un gel isolant. The PM2A power module here has a conventional planar configuration and includes electronic chips P1, P2, which are fixed on a substrate type DBC (Direct Bond Copper). The CAS housing of the PM2A module is here made by overmolding with a resin. Note that in other embodiments, the PM2A power module will include a chip-containing package filled with an insulating gel.
[0051 ] Les puces Ρ1 et P2, apparentes dans la vue en coupe de la Fig.3, sont respectivement un transistor Tl et sa diode Dl associée (cf. Fig.1 ) de la branche de commutation. Les puces P1 et P2 sont brasées sur une face supérieure en cuivre du substrat SUB. Des conducteurs en cuivre CU et des fils de bonding BO assurent les connexions électriques à l'intérieur du module de puissance PM2A et avec des bornes de connexion BC extérieures. Une face inférieure en cuivre du substrat SUB est brasée sur une semelle métallique SEM. La semelle SEM est en contact thermique étroit avec un dissipateur thermique DIS. Le dissipateur thermique DIS est ici du type à circulation d'un fluide caloporteur CAL. [0052] Comme montré à la Fig.3, le capteur acoustique CAA est placé au centre d'une cavité HO aménagée dans le boîtier surmoulé CAS du module de puissance PM2A. Le capteur acoustique CAA est typiquement un détecteur d'ultrasons de type piézo-électrique dont la fréquence de résonance correspond sensiblement à la fréquence de commutation du module de puissance, par exemple, de l'ordre de 40kHz. La forme et les dimensions de la cavité HO sont choisies de manière à améliorer la réception du signal d'onde acoustique par le capteur CAA. En option, une plaquette de matériau poreux P P pourra être disposée dans la cavité HO de manière à filtrer un bruit de l'onde acoustique. [0053] L'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. The chips Ρ1 and P2, apparent in the sectional view of FIG. 3, are respectively a transistor T1 and its associated diode D1 (see FIG. 1) of the switching branch. Chips P1 and P2 are brazed to a copper top surface of the SUB substrate. CU copper conductors and BO bonding wires provide the electrical connections inside the PM2A power module and with external BC connection terminals. A copper underside of the substrate SUB is soldered to a metal base SEM. The sole SEM is in close thermal contact with a heat sink DIS. The heat sink DIS is here of circulating type of a heat transfer fluid CAL. As shown in FIG. 3, the acoustic sensor CAA is placed in the center of a cavity HO arranged in the overmolded casing CAS of the power module PM2A. The acoustic sensor CAA is typically a piezoelectric type ultrasonic detector whose resonance frequency substantially corresponds to the switching frequency of the power module, for example of the order of 40 kHz. The shape and dimensions of the HO cavity are chosen so as to improve the reception of the acoustic wave signal by the CAA sensor. Optionally, a wafer of porous material PP may be disposed in the cavity HO so as to filter a noise of the acoustic wave. The invention is not limited to the particular embodiments which have been described here by way of example. Those skilled in the art, according to the applications of the invention, may make various modifications and variations which fall within the scope of the appended claims.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de détection de défaut et protection d'un dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT-i , OT2), faisant appel à l'effet thermoacoustique et comprenant les étapes de : 1) Fault detection method and protection of an electronic power switching device (PM, OT-i, OT2), using the thermoacoustic effect and comprising the steps of:
- a) détection d'un signal acoustique (SA) généré par effet thermoacoustique dans le dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT1 , OT2) lorsque celui-ci est en fonctionnement, a) detecting a thermoacoustically generated acoustic signal (SA) in the electronic power switching device (PM, OT1, OT2) when it is in operation,
- b) détermination (FFT) d'un spectre fréquentiel du signal acoustique détecté (SA) et obtention à partir dudit spectre fréquentiel d'une signature spectrale (SEP) associée audit signal acoustique détecté (SA), b) determining (FFT) a frequency spectrum of the detected acoustic signal (SA) and obtaining from said frequency spectrum a spectral signature (SEP) associated with said detected acoustic signal (SA),
- c) comparaison (CSG) de ladite signature spectrale (SEP) à une pluralité de signatures spectrales de référence (Sgn), et c) comparing (CSG) said spectral signature (SEP) with a plurality of reference spectral signatures (Sgn), and
- d) décision (CSG) sur la présence d'au moins un défaut dans ledit dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT1 , OT2) lorsqu'au moins une coïncidence est identifiée dans ladite étape de comparaison c) entre ladite signature spectrale (SEP) et ladite pluralité de signatures spectrales de référence (Sgn). d) decision (CSG) on the presence of at least one fault in said electronic power switching device (PM, OT1, OT2) when at least one coincidence is identified in said comparing step c) between said spectral signature (SEP) and said plurality of reference spectral signatures (Sgn).
2) Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite étape de détermination b) comprend un calcul par transformation de Fourier (FFT) dudit spectre fréquentiel du signal acoustique détecté (SA). 2) Method according to claim 1, characterized in that said determining step b) comprises a Fourier transform calculation (FFT) of said frequency spectrum of the detected acoustic signal (SA).
3) Dispositif de détection de défaut et protection pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, ledit dispositif étant destiné à surveiller un dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT1 , OT2) dans lequel un défaut est susceptible d'apparaître, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur acoustique (CA, CAA, CAB, CAC), une interface d'entrée (IT, IT2) comportant des moyens d'amplification (AP) et des moyens de conversion analogique-numérique (CAN), et une unité numérique de traitement de signal (SPU, SPU2), ladite unité numérique de traitement de signal (SPU, SPU2) comprenant un module logiciel (FFT) de calcul de signature spectrale apte à calculer une signature spectrale (SEP) d'un signal acoustique détecté (SA) par ledit capteur acoustique (CA, CAA,3) Fault detection and protection device for implementing the method according to claim 1 or 2, said device being intended to monitor an electronic power switching device (PM, OT1, OT2) in which a defect is likely to to appear, characterized in that it comprises at least one acoustic sensor (CA, CAA, CAB, CAC), an input interface (IT, IT2) comprising amplification means (AP) and analog-to-digital conversion means (CAN), and a digital signal processing unit (SPU, SPU2), said digital signal processing unit (SPU, SPU2) comprising a spectral signature calculation software module (FFT) adapted to calculate a spectral signature (SEP) of a detected acoustic signal (SA) by said acoustic sensor (CA, CAA,
CAB, CAC), une mémoire de stockage (MEM) apte à stocker une pluralité de signatures spectrales de référence (Sgn), et un module logiciel de comparaison et décision de défaut (CSG) apte à détecter la présence d'au moins un défaut dans ledit dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT1 , OT2) à partir d'au moins une coïncidence identifiée entre ladite signature spectrale (SEP) dudit signal acoustique détecté (SA) et ladite pluralité de signatures spectrales de référence (Sgn) stockées dans ladite mémoire de stockage (MEM). CAB, CAC), a storage memory (MEM) capable of storing a plurality of reference spectral signatures (Sgn), and a comparison software module and fault decision (CSG) able to detect the presence of at least one defect in said power switching electronic device (PM, OT1, OT2) from at least one coincidence identified between said spectral signature (SEP) of said detected acoustic signal (SA) and said plurality of stored spectral reference signatures (Sgn) in said storage memory (MEM).
4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs capteurs acoustiques (CAA, CAB, CAC) et ladite interface d'entrée4) Device according to claim 3, characterized in that it comprises several acoustic sensors (CAA, CAB, CAC) and said input interface
(IT2) est de type à plusieurs voies d'entrée de signal acoustique et comprend également des moyens d'échantillonnage. (IT2) is of the multi-channel acoustic signal input type and also comprises sampling means.
5) Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que, lorsqu'un défaut, est détecté ladite unité numérique de traitement de signal (SPU, SPU2) délivre en sortie un signal de défaut (Dl, DIABC) à l'intention dudit dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT1 , OT2) sous surveillance. 5) Device according to claim 3 or 4, characterized in that, when a fault is detected, said digital signal processing unit (SPU, SPU2) outputs a fault signal (D1, DIABC) for the purpose of of said electronic power switching device (PM, OT1, OT2) under supervision.
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que, lorsqu'un défaut est détecté, ladite unité numérique de traitement de signal (SPU) délivre en sortie une alerte de défaut (WA), ladite alerte de défaut (WA) comprenant une signalisation lumineuse, sonore ou bien un affichage sur un écran avec ou sans indication du type de défaut. 6) Device according to any one of claims 3 to 5, characterized in that, when a fault is detected, said digital signal processing unit (SPU) outputs a fault alert (WA), said alert of defect (WA) comprising light, sound or display on a screen with or without indication of the type of defect.
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur acoustique ultrasonore. 8) Ensemble électronique de commutation de puissance comprenant au moins un dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT1 , OT2) et un dispositif de détection de défaut et protection (DEP ; CAA, CAB, CAC, UC) associé, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection de défaut et protection associé (DEP ; CAA, CAB, CAC, UC) est un dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6. 7) Device according to any one of claims 3 to 6, characterized in that it comprises at least one ultrasonic acoustic sensor. 8) electronic power switching assembly comprising at least one electronic power switching device (PM, OT1, OT2) and associated fault detection and protection device (DEP, CAA, CAB, CAC, UC), characterized in that said fault detection and associated protection device (DEP; CAA, CAB, CAC, UC) is a device according to any one of claims 3 to 6.
9) Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que, lorsqu'un défaut est détecté, ledit dispositif de détection de défaut et protection associé (DEP ; CAA, CAB, CAC, UC) commande un arrêt du fonctionnement dudit dispositif électronique de commutation de puissance (PM, OT1 , OT2) ou un fonctionnement de celui-ci dans un mode dégradé. 9) The assembly of claim 8, characterized in that, when a fault is detected, said fault detection device and associated protection (DEP, CAA, CAB, CAC, UC) controls a stop operation of said electronic switching device of power (PM, OT1, OT2) or operation thereof in a degraded mode.
10) Ensemble selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que ledit dispositif électronique de commutation de puissance (PM2A) se présente sous la forme d'un module de puissance, d'un convertisseur ou d'un onduleur et comporte au moins une cavité (HO) dans laquelle est logé un capteur acoustique (CAA). 10) An assembly according to claim 8 or 9, characterized in that said electronic power switching device (PM2A) is in the form of a power module, a converter or an inverter and comprises at least one cavity (HO) in which is housed an acoustic sensor (CAA).
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