Le 14 septembre 2021, Quang Chuc Nguyen a soutenu sa thèse au LAAS-CNRS de Toulouse. Son travail a été supervisé par l’IRT Saint Exupéry, le LAAS-CNRS et l’ICAM Toulouse et sous la supervision de l’école doctorale GEET. Cette recherche a contribué à aider au développement et à l’amélioration des modules de puissance SiC à refroidissement double face de haute performance.
SUJET DE THESE
« Il faut développer à la fois les outils expérimentaux de caractérisations thermiques et de la modélisation associée »
A propos
Les recherches ont porté sur l’innovation de convertisseurs de puissance à base de carbure de silicium de très haute performance pour les systèmes embarqués, en particulier pour les applications automobiles et aéronautiques. Les composants à base de SiC encouragent les fabricants de modules de puissance à développer des convertisseurs de puissance hautement intégrés.
D’autre part, les structures de refroidissement double face permettent d’améliorer les performances thermiques des modules de puissance. Le contrôle de la dimension thermique et de son interaction avec les paramètres électriques est essentiel pour garantir à la fois la performance et la fiabilité de ces modules dans les applications mécatroniques embarquées. Il est donc nécessaire de développer ensemble les outils expérimentaux de caractérisations thermiques et la modélisation associée.
Les travaux de cette thèse ont été réalisés en collaboration avec l‘IRT Saint Exupéry, le LAAS-CNRS, l’ICAM Toulouse et l’aPSI3D.
« Cette thèse apporte une démarche scientifique qui contribue à une meilleure connaissance et exploitation de nouveaux composants à base de SiC »
La première partie de la recherche a consisté à développer une méthodologie qui utilise à la fois des mesures expérimentales et des simulations thermo-fluidiques 3D, afin d’identifier et de localiser des défauts au sein de packages de modules de puissance. Un banc d’essai spécifique pour les caractérisations de l’impédance thermique des modules de puissance à refroidissement double face et une face, a été conçu et mis en œuvre à l’ICAM Toulouse.
La deuxième partie de la recherche a consisté à développer un modèle électrothermique de module de puissance SiC qui peut aider les fabricants d’équipements à concevoir et à optimiser leurs systèmes de puissance. Ce modèle est composé de deux sous-modèles : un thermo-électrique qui représente les caractéristiques des MOSFET SiC et prend en compte l’influence de la température de jonction; puis un deuxième sous-modèle thermique compact qui représente les comportements thermiques des puces du module de puissance (auto-échauffement et couplage thermique entre les puces).
Toutes ces actions ont permis d’offrir aux fabricants une méthode de diagnostic pour améliorer la maturation d’une nouvelle technologie de conditionnement des puces SiC. Cela permet également aux équipementiers de disposer de modèles électrothermiques avancés pour optimiser les convertisseurs de puissance avec leurs systèmes de refroidissement.
Globalement, cette thèse apporte une approche scientifique qui contribue à une meilleure connaissance et exploitation des nouveaux composants à base de SiC en tenant compte des contraintes apportées par le nouveau packaging 3D hautement intégré.
PROJET SIC
Le projet SiC porte sur les convertisseurs de puissance à base de carbure de silicium, spécifiquement dédiés aux systèmes embarqués, qui prennent de plus en plus d’importance dans les domaines de l’aéronautique et de l’automobile. Le rôle de ce matériau est majeur dans ces secteurs car il résiste à la fois à des tensions et à des températures élevées et, en plus de cela, réagit très rapidement : tout cela entraîne des réductions remarquables de la taille des équipements en termes de volume, de poids et de chaleur.
JURY
| Patrick TOUNSI | Directeur de thèse | INSA/LAAS-CNRS |
| Jean-Pierre FRADIN | Directeur de thèse | ICAM Toulouse |
| Cyril BUTTAY | Rapporteur | INSA Lyon |
| Yvan AVENAS | Rapporteur | ENSE3 |
| Hélène FREMONT | Examinatrice | IMS Bordeaux |
| Frédéric MORANCHO | Examinateur | Toulouse III – Paul Sabatier University |
| Stéphane LEFEBVRE | Examinateur | SATIE/CNAM |
| Thierry MEYNARD | Examinateur | LAPLACE |
| Bernardo COGO | Invité | IRT Saint Exupéry |
| Jean-Michel REYNES | Invité | IRT Saint Exupéry |