Onduleur à forte intégration utilisant des semi-conducteurs à grand gap

High density inverter using wide band gap switches

• Auteur / Autrice : Guillaume Regnat
• Direction : Jean-Paul Ferrieux, Pierre-Olivier Jeannin, David Frey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 11/07/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Meynard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Mollov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Buttay, Stéphane Lefebvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de gallium

Carbure de silicium

Onduleurs (électricité)

Semiconducteurs à large bande interdite

Mots clés libres

Onduleur

Integration

Semi-Conducteur

Grand gap

Inverter

Integration

Semi-Conductor

Wide band gap

Résumé

Les composants semi-conducteurs à base de matériaux à grand gap (SiC et GaN) présentent des caractéristiques intéressantes pour la réalisation de convertisseurs d’électronique de puissance toujours plus intégrés. Cependant, le packaging des composants traditionnels en silicium ne semble plus adapté pour ces nouveaux composants et apparaît même comme un facteur limitant. Le développement d’un packaging adapté aux caractéristiques des composants à grand gap est alors nécessaire. Les travaux développés dans cette thèse proposent un nouveau packaging tridimensionnel basé sur un procédé de fabrication de circuit imprimé. L’architecture du module est basé sur le concept « Power Chip On Chip » dont le principe de base permet de réduire les perturbations électromagnétiques. Le procédé de fabrication des circuits imprimés offre une grande flexibilité pour le routage en trois dimensions et permet de s’affranchir de l’interconnexion par fil de bonding entre le package et la puce. La démarche de conception du module s’appuie sur une approche multi-physique afin de qualifier le comportement électromagnétique et thermique du module puis de proposer des voies d’optimisation. Un prototype d’un module implémentant quatre cellules de commutation en parallèle, à base de MOSFET SiC, a été produit avec des moyens de production industriels. Les différents tests réalisés valident l’approche retenue dans ce projet mais soulignent également les aspects technologiques à approfondir pour la réalisation d’un module de puissance industriel.

Wide-band-gap (WBG) semiconductors (SiC and Gan) offer interesting characteristics to realize high density power electronics converters. Conventional packaging used for silicon devices is no more adapted for those now components. Development of dedicated packaging for WBG devices is absolutely required. This PhD thesis presents a new 3D package based on Printed Circuit Board (PCB) industrial process. The module architecture is based on “Power Chip On Chip” concept which allows reducing electromagnetic perturbations. PCB fabrication process offers high design flexibility in three dimensions and allows removing wire bonding to interconnect power die and package. The power module design process is buit on multi-physics design tools in the aim to quantify electromagnetic and thermal behavior of the module. Furthermore, several optimization parameters are highlighted. A power module prototype, with four commutation cells in parallel based on SiC MOSFET, has been produced thanks to industrial facilities. Tests realized on new power module confirm the validity of the concept but furthermore to highlight critical technological parameters to realize an industrial power module.