Mesures thermiques en électronique de puissance

Module de puissance

Un module de puissance est une structure de conversion d’énergie électrique, formée d’un assemblage de puces semi-conductrices de puissance et de différentes couches de matériaux. Cette structure permet d’assurer plusieurs fonctions : mécanique, électromagnétique et thermique [Cia01]. Malgré la grande variété de types de boitiers sur le marché, les boitiers moulés sont les plus répandus et présentent des avantages considérables grâce à leur fiabilité et leur faible coût. Dans ces boîtiers moulés, les puces sont brasées sur un substrat DBC (Direct Bonded Copper).

Ce dernier consiste en une couche de céramique (généralement de l’alumine Al2O3 ou bien du nitrure d’aluminium AlN) métallisée au cuivre sur chacune de ses faces. La métallisation inférieure du substrat est brasée traditionnellement par l’intermédiaire des alliages à base d’étain ou de plomb sur une semelle de cuivre ou d’AlSiC. Cette semelle est légèrement courbée afin d’améliorer le contact thermique lorsqu’elle est fixée par des vis sur le radiateur.

Les interconnexions entre les puces et le substrat DBC sont généralement réalisées en utilisant des fils de bonding en aluminium soudés par ultrasons. Enfin, l’assemblage est encapsulé dans un boîtier dans lequel est coulé un gel silicone. Celui-ci permet d’assurer à la fois des fonctions de maintien mécanique, d’isolation électrique et de protection des puces, des fils et du substrat contre les facteurs environnementaux externes tels que les chocs, les vibrations et l’humidité. La figure I.1, issue de [Mou13], représente un assemblage typique de couches en précisant la nature des matériaux.

Figure I.1: Structure d’un module de puissance [Mou13] Les modules de puissance peuvent être constitués d’un ou de plusieurs interrupteurs de puissance à semi-conducteurs packagés ensemble. Ces interrupteurs peuvent être des transistors bipolaires à grille isolée (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBTs), des thyristors commandés à l’ouverture (Gate -Turn – Off Thyristors-GTO Thyristors), ou des Transistors à effet du champ (Metal-Oxyde-Semi-conducteur (MOSFETs)). La nature de ces interrupteurs dépend généralement de différents facteurs tels que le mode de commande, la tension de blocage, la fréquence de commutation et la puissance dissipée. Il est donc nécessaire de choisir l’interrupteur convenant le mieux à l’application souhaitée afin d’obtenir une facilité de contrôle et une diminution des coûts.

La figure I.2, issue de [dkt16], présente une classification d’interrupteurs en fonction de la puissance et de la fréquence de commutation. Sur cette figure, on constate que les composants MOSFETs sont très bien adaptés pour les applications de basse puissance et à fréquence élevée alors que les GTO et les thyristors sont dédiés aux domaines de haute puissance et faible fréquence. Les IGBTs ont la capacité de couvrir une gamme moyenne de puissance et de fréquence. Afin d’obtenir le courant nominal désiré, il est nécessaire d’associer les puces IGBTs en parallèle dans un seul boitier. Ainsi, les IGBTs peuvent d’aller de quelques dizaines d’ampère à quelques kiloampères en courant et de 300 V à 6 KV en tension pour répondre aux nombreuses attentes dans divers domaines de fortes puissances. 

Présentation du transistor IGBT

. Brève histoire de l’IGBT Ce composant a été mis en évidence pour la première fois par Baliga et al. en 1979 [Bal79]. Au fil des années, il a été mentionné sous plusieurs dénominations avant de prendre son nom définitif. En 1982, RCA a déposé un brevet pour ce composant sous le nom de Conductivity Modulated FET (COMFET) [Rus83] et General Electric sous le nom Insulated Gate Transistor (IGT) [Bal84]. En 1983 Motorola a introduit commercialement ce composant sous le nom de Gain Enhanced MOSFET (GEMFET) [Alo01]. Par la suite, plusieurs autres noms ont été associés à cette structure tels que : IGT14, TGB15 [Arn92], Bipolar MOS Transistor [Per04]. Depuis le début années 1990, les fabricants utilisent couramment le nom IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistors.

Description générale

L’IGBT est un composant hybride qui résulte de l’intégration du transistor bipolaire de puissance (Bipolar Junction Transistor en anglais : BJT) et du transistor MOSFET sur le même substrat. Il combine donc les avantages du transistor bipolaire de puissance en conduction et celui du MOSFET en commutation. Cela permet d’avoir des pertes de conduction plus faibles qu’un MOSFET, tout en ayant une vitesse de commutation plus élevée qu’un BJT. Sa technologie permet également de bénéficier des faibles chutes de tension à l’état passant liées à sa conduction bipolaire, et une forte tenue en tension à l’état bloqué, tout en gardant une simplicité de commande par une grille isolée.

Grâce à ces caractéristiques, l’IGBT est devenu un composant populaire dans les applications de l’électronique de puissance, car il remplace avantageusement les composants BJT et MOSFET, dans leurs limites d’utilisation et le transfert dans les domaines de forte tension (gamme de Kilovolts). Cependant, l’IGBT présente des inconvénients qui limitent ses performances (emballement thermique). Il est aujourd’hui fabriqué de manière discrète ou sous forme de module par de nombreux constructeurs (Mitsubishi Electric, Toshiba, Microsemi…).

Jusqu’à maintenant, les IGBTs disponibles dans le commerce sous forme module couvrent une large gamme de courant pouvant allant de 1 A à 1500 A, d’une tension de 200 à 6500 V, et une gamme de fréquence de 60 Hz à 100 kHz. Le paragraphe suivant est consacré à la présentation de la structure technologique d’un IGBT typique (planar), ainsi que sa structure électronique équivalente.