Substrat architecturé pour une gestion thermique efficace dans les modules électroniques de puissance

National audienceLes modules électroniques de puissance sont des composants essentiels pour le développement de nombreuses fonctions dans les véhicules électriques et hybrides. Ces modules sont des assemblages de composants électroniques en silicium (transistor et diode) sur un substrat généralement en cuivre. Le substrat assure le maintien mécanique et le transfert de la chaleur pour obtenir une température de fonctionnement convenable (<175°C) du silicium. En fonctionnement, une partie de la puissance est dissipée sous forme d'un flux de chaleur à cause de la résistance interne des semi-conducteurs. Ce flux diffuse de la face inferieure des composants électroniques vers le substrat et engendre l'échauffement de l'assemblage. Du fait que cet assemblage comprend divers matériaux, les dilatations thermiques différentes génèrent des contraintes de cisaillement dans la zone de liaison (brasure) en provoquant l'endommagement des modules électroniques. Pour résoudre ce problème, le substrat doit avoir un compromis entre des caractéristiques électriques et thermiques proches de celles du substrat actuel (Cu) et un coefficient de dilatation linéique proche de celui du semi-conducteur (Si). Une des solutions alternatives consiste à développer un matériau composite architecturé. Nous proposons d'atténuer les effets mécaniques de la dilatation différentielle à l'aide d'un substrat architecturé. Le substrat proposé est un matériau composite métallique dont les paramètres de forme ont été optimisés par simulation numérique et validés expérimentalement afin d'accroître au mieux la conductivité du substrat et d'en réduire la dilatation macroscopique. De plus, nous avons validé la mise en oeuvre du substrat proposé par des procédés conventionnels de colaminage, de pliage et de découpe

Analyse des contraintes opérationnelles de gestion thermique de batterie lithium-ion pour vols régionaux d’avion hybride-électrique

Dans l’optique de réduire la pollution aéronautique, plusieurs grandes entreprises du domaine se lancent vers des avions à propulsion hybride-électrique. Cette option peut paraître comme étant la solution apporte tout de même beaucoup de questionnement quant à sa faisabilité L’ingénierie prédictive est une façon efficace et nettement moins coûteuse d’évaluer si cette hybridation est une technologie viable. Ce questionnement provient surtout de l’utilisation de batteries lithium-ion, qui possèdent une énergie spécifique faible et des performances limitées. Actuellement, il existe plusieurs techniques de modélisation qui permettent d’évaluer les comportements d’une batterie lithium-ion, mais aucun de ceux-ci sont adaptés à un vol d’avion. En effet, l’altitude, les grands changements de température, la gestion thermique et l’intégration ne sont pas pris en compte dans les modèles existants. L’objectif principal de ce projet est d’identifier et d’analyser les contraintes opérationnelles d’une batterie lithium-ion pour vols régionaux d’avion hybride-électrique parallèle ou à des fins de taxi électrique et plusieurs objectifs spécifiques en découlent. Premièrement, l’élaboration d’un modèle paramétrique de batterie lithium-ion, incluant les effets thermiques qui permettra d’en évaluer les performances. Deuxièmement, l’identification des requis d’opération en terme de recharge et de gestion thermique. Finalement, l’intégration de ce système dans un environnement de simulation modélisant les demandes en puissance d’un avion hybride en vol pour ensuite en évaluer les contraintes opérationnelles quant à la gestion thermique et d’énergie de batterie. Une modélisation par discrétisation détaillée, une optimisation et des profils de puissance ont alors été utilisée afin d’établir les différents requis de puissance et de dissipation thermique qui devront être apportés à la batterie. Ces derniers seront calculés de sorte que l’utilisation de la batterie respecte ses limites de performance. Le modèle a permis de conclure que la propulsion hybride électrique nécessite des infrastructures à hautes puissances au terminal. En effet, une puissance de recharge de 540 kW est requise pour un temps au sol de 36 minutes, ainsi qu’une dissipation de chaleur de 27 kW. Il n’est pas nécessaire de recharger la batterie ni de la refroidir en vol. Si les requis sont respectés au sol, la batterie atteint une température maximale de 37°C, ce qui ne cause aucun problème de vieillissement accéléré ou d’enjeux de sécurité. En ce qui attrait au taxi électrique, les demandes sont beaucoup moins élevées, mais sont requises au sol. La batterie doit être rechargée avec une puissance de 34 kW au sol et de 38 kW durant la descente. La dissipation de chaleur doit être de 4 kW au terminal et de 2 kW durant les phases de vol

Étude électrothermique et caractérisation expérimentale d’une batterie lithium-ion commerciale pour intégration dans un véhicule autonome soumis à une météo extrême

Les postes de transformation d’Hydro-Québec sont des infrastructures permettant d’aiguiller et de contrôler la distribution de l’électricité à travers le réseau électrique québécois. La plupart se trouvent dans le nord du Québec et sont localisés dans des zones éloignées. Leur entretien et leur inspection sont donc couteux en ressources humaines et financières. Pour palier cela, l’Institut de recherche en électricité du Québec (IREQ) cherche à produire une flotte de véhicules autonomes capables d’effectuer l’inspection de ces postes à distance. Le véhicule utilise une batterie au lithium-ion pour son opération. Ce type de batterie possède une densité d’énergie élevée mais est sensible à sa température interne. La plage de température optimale de ce type de batteries se trouve entre 10°C et 35°C, avec une différence de température maximale dans la batterie de 5°C. Cependant, le véhicule va opérer toute l’année dans le nord du Québec, où les températures peuvent aller de -30°C en hiver jusqu’à 35°C en été. Et à cause de l’isolement des postes, l’IREQ souhaite éviter une maintenance à chaque changement de saison. L’objectif est donc d’avoir une stratégie de gestion thermique unique pour toute l’année, permettant de maintenir la batterie dans une plage de température acceptable. Afin de mettre en place cette stratégie, il est nécessaire de prédire le comportement électrothermique de la batterie. Ce travail porte sur l’étude du comportement électrothermique d’une batterie commerciale à intégrer dans un prototype de véhicule. Deux modèles électrothermiques 1D sont développés par analogie électrique-thermique, l’un pour la batterie nue et l’autre pour la batterie intégrée dans un prototype de véhicule. Dans ce prototype, la batterie est placée dans un caisson contenant des onduleurs qui génèrent eux aussi de la chaleur. Le modèle de la batterie nue permet de calculer sa température interne au cours d’une mission, à partir de sa génération de chaleur, de la résistance de conduction à travers la batterie et de la résistance de convection à sa surface. Le modèle de la batterie intégrée est développé en tenant compte des résistances de convection dans le caisson, la capacité thermique de l’air qui y est contenu et la génération de chaleur des onduleurs. Les grandeurs requises pour établir ces modèles sont déterminées soit expérimentalement (comme la capacité thermique effective de la batterie et sa résistance thermique de conduction interne effective), soit par simulation numérique (CFD) (comme pour les différentes résistances thermiques de convection). Des tests sur banc d’essais ont été réalisés sur la batterie nue. Pour les scénarios d’hiver, il a été mesuré que la température interne de la batterie peut descendre jusqu’à -7°C si la température extérieure est de -40°C, avec un gradient de température au sein de la batterie de 12°C. Lors des scénarios d’été, la génération de chaleur est faible et ne fait pas augmenter la température de la batterie et celle-ci stagne à environs 37°C. Ces expériences ont également permis de mesurer les grandeurs thermiques de la batterie. Les tests sur le prototype intégré ont montré que la température moyenne de la batterie descend d’un degré en 2h, sur neige et avec une température extérieure de -5°C. Cette chute de température ne fait courir aucun risque à la batterie. Ces résultats permettent d’affirmer que la batterie permet au rover d’accomplir les missions fixées par l’IREQ. Les résultats de la caractérisation expérimentale valident le modèle 1D de la batterie nue et les tests sur le prototype valident le modèle 1D de la batterie intégrée avec 12% d’erreur. À la fin du scénario le plus énergivore, la profondeur de décharge mesurée dans la batterie est de 60% ce qui valide les requis fixés par l’IREQ avec une marge de 6%. Tous les autres scénarios d’étude valident les requis avec une marge de plus de 30%. De plus la puissance minimale de la batterie est de 8 kW alors que les estimations du centre des technologies avancées (CTA) anticipent une puissance requise maximale de 5 kW pour le scénario le plus sollicitant. Ce travail a permis de conclure que la batterie commerciale est surdimensionnée pour les besoins du projet et que son comportement thermique risque d’engendrer un vieillissement prématuré (c’est-à-dire une perte de capacité de la batterie au fur et à mesure de ses cycles), respectivement à cause de la quantité d’énergie restante à la fin des missions et à cause du gradient de température supérieur à 5°C dans la batterie. Ce travail a également servi à comprendre le comportement des éléments internes de la batterie. Ces constats montrent le besoin d’une conception d’une batterie sur-mesure avec une stratégie de gestion thermique adaptée à l’utilisation du véhicule. Le modèle de la batterie enclavée développé dans ce travail est original et peut être utilisé pour prédire le comportement électrothermique de toute sorte de batterie enclavée dans une enceinte fermée. Enfin, le travail réalisé dans ce projet s’inscrit dans le grand objectif du Québec d’électrifier le parc automobile en améliorant la gestion thermique des batteries Li-ion

Etude expérimentale d'un système statique de génération de pression magnétothermique

Le refroidissement par convection forcée des composants électroniques de puissance, bien que très efficace, nécessite généralement l'utilisation d'une pompe mécanique réduisant le rendement global du système et sa fiabilité. Il a déjà été montré, que l'utilisation des ferrofluides à basse température de Curie produisait un écoulement de ce dernier, sans aucune pièce mécanique en mouvement, lorsqu'il est soumis à l'action conjuguée d'un champ magnétique et d'un gradient de température. Cet article met en évidence, de manière expérimentale, la création de pression statique au sein d'un ferrofluide. Cette pression est mesurée en fonction de l'induction imposée et du gradient de température. Les résultats dans des conditions stationnaires et instationnaires seront discutés

Contribution à l'étude de la fiabilité des modules de puissance pour l'application automobile

L’objectif de ce travail est d’apporter une réponse quant à la robustesse des nouvelles technologies de modules de puissance pour l’application automobile et plus particulièrement les solutions micro-hybrides. Cette thèse, initiée par les travaux menés au sein du projet Européen PIDEA PEPPER, a permis la comparaison d’un point de vue de la durée de vie d’une technologie de report de puce nue classique d’une part et de celle par échauffement local rapide, élaborée dans le cadre de ce projet d’autre part. En s’appuyant sur ces résultats, il a été possible, par la suite, d’extrapoler ce travail afin de l’adapter aux exigences des futurs modules de puissance comprenant une évacuation double face. Finalement, une comparaison des deux solutions d’un point de vue de la durée de vie a été réalisée.The main purpose of this work was to focus on the reliability of new technologies of power modules for automotive application and particularly on micro-hybrid solutions. This thesis, initiated the European PIDEA PEPPER project, allowed the comparison between a classical soldering process of a bare die, and the fast local heating process, elaborated during the project, from the point of view of the life time. Based on these results, it was then possible to extend the content of this study in order to be adapted to the requirements of the future double side thermal cooling power modules. Finally, a comparison between both solutions has been made from the point of view of the life time

Packaging 3D pour MOSFET en carbure de silicium

International audienceLe développement d'un packaging dédié aux transistors à grand gap (SiC et GaN) est un point clef pour tirer pleinement profit de leurs caractéristiques remarquables. Un packaging en trois dimensions, basé sur un procédé de fabrication des circuits imprimés, est présenté dans cet article. Une cellule de commutation à base de MOSFET SiC est développé avec une inductance parasite de seulement 0.25nH. De plus, les interconnexions électriques du module sont réalisées sans brasures ni fil de bonding. Un module 3D est fabriqué puis validé expérimentalement. Des caractérisations électriques statiques et dynamiques sont réalisées et valident électriquement le concept « Power Chip On Chip » avec un procédé de fabrication de circuit imprimé

RÉDUCTION DU PHOTO-NOIRCISSEMENT PAR UN CO-DOPAGE AU LANTHANE OU AU CÉRIUM DES FIBRES OPTIQUES DOPÉES AU THULIUM POMPÉES À 1070 NM

National audienceRÉSUMÉ Les fibres optiques dopées au thulium pompées à 1,07 µm offrent la perspective de lasers et amplificateurs fonctionnant à de nouvelles longueurs d'onde. Ce système permet d'envisager de nombreuses transitions optiques encore inexploitées dans des fibres à base de silice. Le principal verrou technologique de ce système est le photo-noircissement. Nous présentons ici la réduction du photo-noircissement en co-dopant la silice avec du cérium ou du lanthane. Un modèle pour le photo-noircissement est proposé. Ce modèle implique un processus séquentiel faisant intervenir un défaut et un changement de valence de Tm 3+ en Tm 2+. Les effets bénéfiques du co-dopant sont aussi expliqués grâce à ce modèle