Conception et implémentation technologique de convertisseurs de puissance à partir d'un packaging 3D avec refroidissement intégré

Design and technological implementation of static converters using a 3D package with an integrated cooling system

• Auteur / Autrice : Wendpanga Bikinga
• Direction : Yvan Avenas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 19/05/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble) - Equipe de recherche Electronique de puissance (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Bley, James Roudet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Labrousse, Cyril Buttay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs à large bande interdite

Mise sous boîtier (électronique)

Refroidissement

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Packaging3D

Gestion thermique

Refroidissement

Enfouissement PCB

Thermal management

Packaging

Cooling

Embedded Technology

Résumé

Pour réussir la transition énergétique, les convertisseurs statiques doivent répondre à plusieurs problématiques comme l’amélioration du rendement, la réduction des perturbations électromagnétiques ou l’augmentation de la densité de puissance. Concernant ce dernier point, la solution mise en œuvre majoritairement aujourd’hui est l’utilisation des composants à grand gap (SiC et GaN) car ils commutent plus vite que leurs homologues en silicium et permettent donc de réduire les pertes (diminution du volume du dissipateur) et/ou augmenter la fréquence de commutation (diminution du volume des composants passifs). Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d’évaluer une proposition technologique complémentaire visant à améliorer la compacité des convertisseurs en utilisant de manière optimale le volume du système de refroidissement. L’idée de base réside dans une répartition optimale des sources de chaleurs (puces) dans le volume du dissipateur tout en réduisant considérablement le nombre d’interfaces thermiques à travers un packaging 3D modulaire à faible inductance parasite adapté aux composants verticaux rapides.Plusieurs types de cellules de commutation élémentaires ont été conçues et réalisées en s’appuyant sur différentes technologies d’assemblage 3D. Les moyens et méthodes de caractérisation ont été adaptées à l’architecture de ces cellules, et des mesures expérimentales ont permis d’évaluer les performances électriques et thermiques atteignables avec cette technologie. Des simulations électromagnétiques ont ensuite confirmé les résultats de mesures d’inductance parasite, et permis l’analyse détaillée de la cellule de commutation afin de donner des premières règles de conception. Enfin, les interactions entre cellules de commutation ont été étudiées par simulations électromagnétiques et mesures thermiques afin de déterminer (par simulations) la densité volumique et massique de puissance que l’on pourrait atteindre dans le cas d’un onduleur triphasé 48V-12 kW pour véhicules hybrides. Un démonstrateur a été conçu et testé.

In order to succeed in the energy transition, static converters must address several issues such as improving efficiency, reducing electromagnetic interference and increasing power density. Concerning this last point, the solution implemented today is the use of large gap components (SiC and GaN) because they switch faster than their silicon counterparts and therefore allow to reduce losses (decrease of the volume of the heatsink) and/or increase the switching frequency (decrease of the volume of passive components). In this context, this thesis aims to evaluate a complementary technological proposal to improve the compactness of the converters by optimizing the volume of the cooling system. The basic idea is to optimize the distribution of the heat sources (chips) in the heatsink volume while considerably reducing the number of thermal interfaces through a modular 3D packaging with low parasitic inductance adapted to fast vertical components.Several types of elementary switching cells have been designed and realized using different 3D assembly technologies. The characterization means and methods were adapted to the architecture of these cells, and experimental measurements allowed to evaluate the electrical and thermal performances achievable with this technology. Electromagnetic simulations have then confirmed the results of parasitic inductance measurements, and allowed the detailed analysis of the switching cell in order to give first design rules. Finally, the interactions between switching cells were studied by electromagnetic simulations and thermal measurements in order to determine (by simulations) the volumetric and mass power density that could be reached in the case of a three-phase 48V-12 kW inverter for hybrid vehicles. A demonstrator has been designed and tested.