Les transistors à grand gap possèdent des caractéristiques en commutation remarquables.
Dans une première partie, leur impact sur la cellule de commutation a été développé. Afin de
tirer pleinement profit des composants à grand gap, leur packaging doit être particulièrement
soigné. Des règles de conception peuvent être dégagées suite à cette analyse.
Règle de conception Remarques
1 Minimisation de l’inductance
de la maille de commutation
Une valeur d’inductance inférieure à 1nH est un objectif
atteignable
2 Réduction des interactions
puissance-commande
L’inductance commune de source doit être éliminée en
utilisant une connexion « Kelvin Source ». Le couplage
entre le circuit de puissance et de commande
rapprochée par mutuelle inductance doit être
négligeable. Le packaging ne doit pas ajouter de
capacité entre grille et drain (effet Miller).
3 Minimisation de l’inductance du circuit de commande
rapprochée
L’inductance du circuit de grille devra être réduite au
maximum, même si le circuit de commande rapprochée
n’est pas disposé au plus proche des puces de
puissance.
4 Suppression des fils de
bonding
Les fils de bonding sont responsables d’une part
importante des défaillances des modules de puissance.
Le module devra donc s’en affranchir afin d’augmenter
sa fiabilité.
5 Réduction de l’impact CEM
La symétrisation des éléments parasites est nécessaire
pour diminuer les couplages entre mode commun et
mode différentiel. La capacité parasite de mode commun
du point flottant doit être réduite au maximum.
6 Comportement thermique
non dégradé
L’optimisation électromagnétique du module ne doit pas
se faire au détriment du comportement thermique du
module.
Tableau 6: Règles de conception du module de puissance
Pour suivre ces règles de conception, le packaging 3D nous offre une flexibilité très
intéressante. L’assemblage de type sandwich entre deux DBC a largement été traité dans la
littérature. Des modules avec de bonnes caractéristiques électromagnétiques et thermiques
peuvent être réalisés. Cependant, le procédé d’assemblage demande de nombreuses
étapes complexes et coûteuses. Dans le cadre de cette thèse CIFRE en partenariat avec
Mitsubishi Electric R&D Centre Europe (MERCE), les aspects d’industrialisation et de
maitrise des coûts sont importants. Les composants à grand gap sont aujourd’hui beaucoup
plus chers que leurs homologues en silicium et il ne faudrait pas qu’un packaging 3D
augmente d’avantage le coût global d’un module. Afin de répondre à cette problématique, le
procédé de fabrication de circuit imprimé est une alternative très intéressante. Cette
technologie sera donc développée dans ce projet pour la réalisation d’un module de
puissance. De plus, une architecture originale de cellule de commutation développée au
Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2Elab) sera mise en place, permettant de
Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 57
Chapitre II
Conception du module de puissance 3D
Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 58
Résumé
La conception d’un nouveau module de puissance basé sur une architecture 3D est
développée dans ce chapitre. Le projet de thèse s’inscrit dans un contexte industriel avec
comme objectif la réalisation d’un onduleur triphasé de quelques dizaines de kilowatts à forte
densité de puissance en utilisant des semi-conducteurs à grand gap. Les MOSFET SiC ont
été sélectionnés dans ce projet. D’après l’étude bibliographique menée précédemment, le
packaging de ces nouveaux composants doit être amélioré pour parvenir à un
fonctionnement optimal.
Le concept « Power Chip On Chip » développé au G2Elab consiste en une intégration de la
cellule de commutation dans le busbar. Cette architecture possède de nombreux avantages
pour réduire l’inductance de la maille de commutation et diminuer les perturbations
électromagnétiques. Elle est alors mise en œuvre grâce à un procédé de fabrication de
circuit imprimé. Ce procédé industriel permet une grande flexibilité de conception en trois
dimensions et une maîtrise des coûts de fabrication. Un module de puissance est développé
pour un bras d’onduleur avec quatre transistors en parallèle pour chaque interrupteur.
A partir des données géométriques du module, des simulations électriques et thermiques
sont menées. Les résultats de l’analyse électromagnétique ont montré une inductance de
maille de commutation inférieure à 1nH et un équilibrage en haute fréquence des
impédances des quatre cellules de commutation. Le circuit de commande de grille est conçu
avec beaucoup de précautions pour limiter l’inductance propre. Les couplages
électromagnétiques entre puissance et commande sont quantifiés en simulation et sont
jugés négligeables.
La structure en couche du module impose nécessairement d’accroître les capacités
parasites du MOSFET SiC. Un modèle de condensateur plan est utilisé et s’adapte bien à la
structure du module. Les résultats montrent une augmentation de la capacité Cds de 51% et
la capacité Cgs de 5%. Le routage du circuit de grille permet d’éviter d’augmenter la capacité
Cgd qui est la plus critique pour les perturbations causés par les forts dV/dt.
Des simulations SPICE sont réalisées en prenant en compte les éléments parasites du
nouveau packaging. Les formes d’onde en tension et courant prouvent le bon
fonctionnement électrique du module mais également mettent en avant le phénomène de
recouvrement inverse important causé par le fort di/dt. Ce phénomène constitue la grande
majorité des pertes en commutation du module. Malgré tout, le rendement global de
l’onduleur triphasé estimé en simulation reste supérieur à l’objectif visé (>97%) pour une
large gamme de fréquence de commutation (25kHz à 100kHz).
L’analyse thermique du module reprend tous les éléments critiques du refroidissement d’un
module de puissance : système de refroidissement, influence thermique de l’isolation
électrique, analyse thermique de l’accroche de la puce par micro via et enfin simulation 3D
du module.
Un système de refroidissement adapté à la faible surface du module (30mm x 30mm) a été
réalisé avec un coefficient d’échange de près de 10kW/m².K.
Un modèle thermique analytique est développé afin de comparer plusieurs solutions
Chapitre II : Conception du module de puissance 3D 59
avec le procédé PCB peuvent être utilisés avec des performances proches de l’alumine,
utilisée dans les substrats DBC.
Un modèle thermique équivalent de la couche d’attache par micro-via est présenté. D’après
la géométrie du module, une conductivité thermique équivalente de 78W/m.K est atteinte. La
résistance thermique de cette couche est moins bonne que les attaches classiques mais
reste du même ordre de grandeur.
Enfin, des simulations thermiques 3D du module sont réalisées. La question de la
modélisation thermique d’une puce soumise à un refroidissement par ses deux faces est
soulevée. Deux cas limites sont ensuite pris en compte pour les simulations. Un premier
résultat intéressant est l’action bénéfique de la couche centrale de cuivre qui permet
d’épanouir la chaleur au milieu du module et crée ainsi un chemin alternatif pour l’évacuation
de la chaleur. Les deux paramètres les plus influents pour améliorer le comportement
thermique du module sont la conductivité thermique de la couche de prepreg où sont
encapsulées les puces et les couches de cuivre épaisses. Cependant, les améliorations sont
limitées par le procédé de fabrication des circuits imprimés.
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Dans le document
Onduleur à forte intégration utilisant des semi-conducteurs à grand gap
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