Étude et réalisation d'une fonction interrupteur en technologie hybride à haute intégration

Study and realisation of a highly integrated switch function in hybrid technology

• Auteur / Autrice : Charlotte Gillot
• Direction : Christian Schaeffer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés libres

Sciences et techniques

Electronique

Circuit integre hybride

Circuit commutation

Convertisseur statique

Electronique puissance

Comportement thermique

Refroidissement

Convection forcee

Module multipuce

Interconnexion

Transistor bipolaire grille isolee

Résumé

La base d'un convertisseur statique est la fonction interrupteur. Pour remplir cette fonction, les transitors bipolaires a grille isolee (igbt) se sont imposes dans le domaine des moyennes puissances. A l'heure actuelle, leur evolution est tournee vers les applications de forte puissance, comme la traction ferroviaire. En raison des fortes densites de puissance generees dans ces composants, les performances electriques et thermiques d'un module sont fortement liees a son architecture et a son systeme de refroidissement. Cette etude s'inscrit dans une demarche d'integration en electronique de puissance, avec pour objectif l'augmentation de la compacite et de la fiabilite des modules. Apres une presentation de la structure classique et des notions de thermique generalement utilisees en electronique de puissance, nous proposons differentes solutions pour diminuer la resistance thermique des modules. La premiere consiste a integrer un refroidisseur performant base sur la convection forcee monophasique dans des microcanaux. Nous presentons une demarche permettant d'estimer la resistance thermique des modules multipuces avec ce type de refroidissement. Dans une seconde phase, nous proposons un nouveau type d'interconnexion des composants de puissance, permettant de les refroidir sur leurs deux faces. Enfin, une reflexion sur les substrats utilises dans les modules est initiee. Dans tous les cas, la realisation et les tests de prototypes permettent de valider la modelisation des modules et de montrer la faisabilite des approches proposees.

The main part of a static converter is the switch function. Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) are now employed in most of medium power applications and their evolution is turned towards high power applications, such as railway traction. Because of the high power densities dissipated in these components, electrical and thermal performance of a power module is strongly linked to its structure and its cooling system. This study deals with a process of integration in power electronics. The main goal is to improve compactness and reliability of power modules. After a presentation of the conventional structure of a module and the thermal concepts generally used in power electronics, we propose several solutions to reduce the thermal resistance of a module. First, an efficient heat sink was integrated in the module. The cooling principle is single-phase forced convection in microchannels. We propose a methodology to estimate the thermal resistance of multichip modules cooled with this type of heat sink. In a second stage, we propose a new technique of interconnexion for power devices, which allows to cool them on both sides. Then, a study of the substrates used in the modules is presented. In all cases, realisations and tests of prototypes allow to validate the model of the module and to show the feasibility of the proposed concepts.