Développement d’outils électrothermiques pour la localisation de défauts et pour l’optimisation de la performance de modules mécatroniques de puissance SiC

Development of electrothermal tools for fault location and for optimizing the performance of Silicon Carbide power modules

• Auteur / Autrice : Quang Chuc Nguyen
• Direction : Patrick Tounsi, Jean-Pierre Fradin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Composants et Systèmes de gestion de l'Energie
• Date : Soutenance le 14/09/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Morancho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Tounsi, Jean-Pierre Fradin, Cyril Buttay, Yvan Avenas, Hélène Fremont, Stéphane Lefebvre, Thierry Meynard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Buttay, Yvan Avenas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation électrothermique

Transistors MOSFET

Mots clés libres

Composants de puissance

MOSFET et diode SiC

Optimisation électrothermique

Caractérisation électrique et thermique

Power components

MOSFET and diode SiC

Electrothermal optimisation

Electrical and thermal characterization

Résumé

Contexte : Le travail de recherche s’articule autour de l’innovation à apporter dans le domaine des convertisseurs de puissance à base de Carbure de Silicium à très haute performance pour les systèmes embarqués, notamment pour les applications automobiles et aéronautiques. Les composants à base de SiC incitent les constructeurs de modules de puissance à développer des structures fortement intégrées rendant les mesures difficiles d’accès. La maîtrise de la dimension thermique, et son interaction avec les paramètres électriques, est essentielle pour garantir à la fois les performances et la fiabilité de ces modules dans des applications mécatroniques embarquées. En conséquence, il faut développer à la fois les outils expérimentaux de caractérisations thermiques et de la modélisation associée. Le travail de cette thèse s’est déroulé en collaboration avec :- L’Institut de Recherche Technologique (IRT) Saint-Exupéry, qui a amené les démonstrateurs et de l’aide pour le développement du banc de caractérisation thermique.- Le laboratoire LAAS-CNRS, qui a permis la caractérisation électrique à température régulée et l’extraction des modèles thermiques compacts.- L’ICAM, site de Toulouse, qui a réalisé les simulations thermo-fluidiques 3D et le banc de mesure de température de jonction en environnement contrôlé.- La société aPSI3D, qui est à l’origine de la technologie de module à refroidissement double face et qui a apporté les besoins industriels pour le projet.Travaux réalisés : Nous pouvons résumer les travaux réalisés comme suit :- Identification des paramètres électriques thermosensibles pour les MOSFETs SiC et les diodes Schottky SiC sur la base de recherche bibliographique.- Extraction des variations des paramètres électriques en fonction de la température afin de définir le paramètre électrique thermosensible à utiliser.- Spécification et validation de la méthode de mesure de l’impédance thermique par échauffement.- Exploitation de la méthode sur les modules de puissance à base de Carbure de Silicium à refroidissement simple face et à refroidissement double face.- Comparaison entre les résultats issus des mesures et ceux issus de la simulation 3D qui a permis l’identification et la localisation des défauts dans la structure des modules.- Extraction des caractéristiques électriques en fonction de la température.- Développement de modèles électriques thermosensibles analytiques qui peuvent aisément être intégrés dans un simulateur électrique.- Développement de modèles électrothermiques compacts qui prennent en compte à la fois l’auto-échauffement et les interactions thermiques entre les puces.Toutes ces actions nous ont permis d’offrir aux industriels une méthode de diagnostic pour l’amélioration de la maturation d’une nouvelle technologie de packaging de puces SiC. Cela permet également aux équipementiers de disposer de modèles électrothermiques avancés afin d’optimiser les convertisseurs de puissance avec leurs systèmes de refroidissement. De manière générale, cette thèse apporte une démarche scientifique qui contribue à une meilleure connaissance et exploitation de nouveaux composants à base de SiC avec prise en compte des contraintes apportées par les nouveaux packagings 3D fortement intégrés.

Background: The research work revolves around the innovation in the field of very high performance Silicon Carbide-based power converters for embedded systems, in particular for automotive and aeronautical applications. SiC-based components encourage power module manufacturers to develop highly integrated power converters that make access to measurements difficult. The control of the thermal dimension and its interaction with the electrical parameters is essential to guarantee both the performance and the reliability of these modules in embedded mechatronic applications. Therefore, it is necessary to develop the experimental tools of thermal characterizations and associated modeling all together. The work of this thesis took place in collaboration with:- The French Institute of Technology Saint-Exupéry, which provided the demonstrators and assistance for the development of the thermal characterization test bench.- The LAAS-CNRS laboratory, which enabled the electrical characterization at controlled temperature and the extraction of compact thermal models.- ICAM, Toulouse site, which carried out the 3D thermo-fluidic simulations and the test bench for junction temperature measurement in a controlled environment.- The aPSI3D company, which pioneered the double-sided cooling module technology and provided the industrial needs for the project.We can summarize the work carried out as following:- Identification of thermo sensitive electrical parameters for SiC MOSFETs and SiC Schottky diodes based on research bibliography.- Extraction of electrical parameter variations as a function of junction temperature in order to determine the thermo sensitive electrical parameter.- Specification and validation of the thermal impedance measurement method by pulsed heating curve technique.- Exploitation of the method on Silicon Carbide-based single-sided cooling and double-sided cooling power modules.- Comparison between the results from the measurements and those from the 3D simulation that allowed the identification and location of faults in the structure of the modules.- Extraction of electrical characteristics as a function of temperature.- Development of analytical thermo sensitive electrical models that can easily be integrated into an electrical simulator.- Development of compact electro thermal models which take into account both self-heating and thermal interactions between chips.All of these actions have enabled us to offer manufacturers a diagnostic method for improving the maturation of a new SiC chip packaging technology. It also allows OEMs to have advanced electro thermal models to optimize power converters with their cooling systems. In general, this thesis brings a scientific approach which contributes to a better knowledge and exploitation of new SiC-based components taking into account the constraints brought by the new highly integrated 3D packaging.