Embedded set of sensors for power electronic modules

This study deals with the challenges for driving Wide Band Gap modules to maturity. In this study, development, integration and signal processing techniques of several types of sensors are studied. Industrial and academic partners, within CAPTIF project, are proposing complementary skills and experiences in the technological and scientific domains: multi-physic sensors, signal processing, integration and reliability for power electronics. Nanoparticle-based strain gauges, temperature sensors and electromagnetic array sensors will be validated and integrated in power an electronic power module. A specific multi-physic model will be developed in order to specify the best location of interest within the power module. These features will result in a better knowledge of real-time current density location, as well as current frequencies. For both sensor types, the data packaging will be challenging spin-offs. Finally, advanced data processing techniques – estimation as well as signal processing – will be adapted to numerous sensor outputs. A clean room process flowchart will be established to guarantee an advanced pre-industrial prototyping

Innovative embedded sensors for power electronic modules: CAPTIF – ANR research project

Innovative embedded sensors for power electronic modules: CAPTIF – ANR research projec

Conception de capteurs intégrés et logiciels pour des modules d'électronique de puissance

Conception de capteurs intégrés et logiciels pour des modules d'électronique de puissanc

Contribution à l'étude des mécanismes de défaillances de l'IGBT sous régimes de fortes contraintes électriques et thermiques

Depuis ces dernières années, parmi tous les composants de puissance, l IGBT (Transistor Bipolaire à Grille Isolée) occupe une place prépondérante, On le retrouve dans une multitude d applications et il est devenu un composant de référence de l électronique de puissance. Dans cette thèse, nous nous intéresserons au fonctionnement de l IGBT en conditions thermiques et électriques extrêmes. À l'aide de la simulation physique bidimensionnelle d'un modèle d'IGBT de type Punch Through à structure de grille en tranchée, on s'intéressera plus particulièrement aux limites des aires de sécurité, et plus précisément aux mécanismes qui peuvent amener à la défaillance du composant. Une étude expérimentale présentera le comportement de différentes structures d IGBT dans différents modes de fonctionnement, on traitera plus particulièrement l influence de la température et de la résistance de grille sur ces modes de fonctionnement. Enfin, une proposition d amélioration d IGBT sera développée en simulation mettant en œuvre une couche tampon SiGe.For these last years, the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has occupied a dominating place comparing to other power components. Used in a multitude of applications, it became the component of reference in power electronics domain. In this thesis, I will be interested in operation of the IGBT in extreme thermal and electrical conditions. Using the simulation of a bi-dimensional physical model of a Punch Through Trench IGBT, I will be interested more particularly in the limits of the SOA (Safe Operating Area), and more precisely in the mechanisms which can lead to the failure of the component. An experimental study will present the behaviour of various structures of IGBT in various electrical and thermal operating conditions, more particularly the influence of the temperature and the gate resistance. Lastly, a proposal for an improvement of IGBT will be developed in simulation by implementing a layer SiGe in the N+ buffer layer of the IGBT.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Modélisation des supercondensateurs et évaluation de leur vieillissement en cyclage actif à forts niveaux de courant pour des applications véhicules électriques et hybrides

L'objectif de cette thèse est la modélisation des supercondensateurs et l'évaluation de leur vieillissement en cyclage actif pour des applications véhicules électriques et hybrides. Après avoir situé les supercondensateurs dans ce type d'applications, les principes physique et technologique sont présentés et discutés. Ensuite, la modélisation électrique des supercondensateurs est faite grâce à une procédure de caractérisation et des outils expérimentaux adaptés aux courants et aux fréquences envisagés. Le comportement dynamique à forts niveaux de courant est détaillé et un modèle équivalent pour la simulation est proposé. La dépendance en température des paramètres électriques est quantifiée puis introduite dans un modèle électrique. Un modèle thermique permettant l'estimation de la température du point chaud a été alors identifié et couplé au modèle électrique. La prédiction de l'auto-échauffement et l'obtention d'un régime stationnaire thermique peuvent être simulés puis validés expérimentalement. Finalement, l'étude du vieillissement est abordée au travers d'essais de cyclage actif. Pour cela, des profils discontinus à forts niveaux de courant ont été spécifiés. Une procédure de test et de caractérisation périodique spécifique a été définie et mise en oeuvre lors de trois campagnes de mesures. Les résultats sont présentés en s'intéressant principalement à l'évolution des paramètres électriques durant le vieillissement accéléré en fonction de la forme du courant, sa valeur efficace et de la durée des arrêts pendant le cyclage.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'identification de nouveaux indicateurs de défaillance des modules de puissance à IGBT

L électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive.Power electronics has a role increasingly growing up in transport:electric and hybrid vehicles, trains and aircraft. For these applications, security is a critical point, thus the reliability of the power assembly must be optimized. The knowledge of time to failure is very important information for the designers of these systems. Inthis context, an early failure indicator would predict system failuresbefore it becomes effective. In this thesis, we focused on the electromechanical characterization of power transistors: MOSFET and IGBT. Based on these results this electromechanical characterization should help us in the longer term, to highlight an early failure indicator of the power assembly.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'étude de la fiabilité des modules de puissance pour 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 futures 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.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Prise en compte du vieillissement dans la modélisation des supercondensateurs

L objectif de cette thèse est l évaluation du vieillissement calendaire des supercondensateurs. Le début est consacré à l examen des principes et des technologies des générations récentes de supercondensateurs. Ensuite, une modélisation comportementale de ces composants est proposée sur la base des principes physico-chimiques mais surtout à partir de méthodes de caractérisation électriques originales menées sur une plate-forme dédiée. La majeure partie des résultats concerne la quantification du vieillissement calendaire de différents types d échantillons en focalisant sur l impact de la tension et de la température. Enfin, ces résultats, pris en compte dans les modèles, sont mis en regard de ceux obtenus lors du vieillissement en cyclage actif et les contributions individuelles identifiées.AbstractBORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'amélioration de la fiabilité des modules IGBT utilisés en environnement aéronautique

TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Etude de fiabilité des modules d'électronique de puissance à base de composant SiC pour applications hautes températures

Les environnements ont tendance à être plus sévères (plus chauds et quelquefois plus froids). À ce titre, l électronique de puissance haute température est un enjeu majeur pour le futur. Concernant les technologies d assemblage à haute température, les brasures haute température comme l'alliage 88Au/12Ge, 97Au/3Si et 5Sn/95Pb pourraient supporter ces niveaux de contraintes thermiques, qui sont actuellement développées pour répondre à ces exigences. Nous avons effectué les caractérisations électriques, mécaniques et thermomécaniques des matériaux d assemblage. Une étude thermique a réalisée par des méthodes expérimentales et des simulations numériques, l étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d estimer les influences des différents paramètres sur la performance thermique de l assemblage. En plus, les cyclages thermiques passif de grande amplitude sont effectués pour analyser la fiabilité des modules de puissance dans ces conditions d utilisation.The environments tend to be more severe (hotter and sometimes colder). As such, the high temperature power electronics is a major challenge for the future. Concerning the technologies for high temperature assembly, high temperature brazing alloy as 88Au / 12Ge, 97Au / 3Si and 5Sn / 95Pb could support these levels of thermal stresses, which are being developed to answer these requirements. We performed the electric, mechanical and thermomechanical characterizations for the materials of assembly. A thermal study was realized by experimental methods and numerical simulations, the numerical study is carried out in ANSYS in order to estimate the influences of the various parameters on the thermal performance of the assembly. In addition, the passive thermal cycles of large amplitude are conducted to analyze the reliability of the power modules in these conditions.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF