Modélisation électrothermique pour l’analyse et l’estimation de durée de vie de modules à semi-conducteurs en court-circuit

Electrothermal modeling for the analysis and lifetime estimation of short-circuited semiconductor modules.

• Auteur / Autrice : Florent Loche-Moinet
• Direction : Eric Woirgard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Malbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Batut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Zoubir Khatir, Frédéric Richardeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium

Modélisation électrothermique

Éléments finis, Méthode des

Passerelles (réseaux d'ordinateurs)

Courts-circuits

Transistors MOSFET

Méthodes d'homogénéisation numérique

Analyse multiéchelle

Mots clés libres

Modélisation électro-thermo-mécanique

Modélisation par Éléments finis

Passerelle entre logiciels

Court-circuit

Transistor

SiC MOSFET

Fusion d’aluminium

Homogénéisation numérique

Modélisation multiéchelle

Electro-thermo-mechanical modelling

Finite elements modelling

Birdge between software

Short circuit

Transistor

SiC MOSFET

Aluminium melting

Numerical homogenisation

Multi-scale modelling

Résumé

L’électronique de puissance est en pleine croissance. De nombreuses questions de fiabilité sont apportées par le remplacement du silicium par du carbure de silicium, notamment concernant la tenue des composants aux courts-circuits. Aujourd’hui, il existe des modèles de prédiction de durée de vie restante dans le cadre d’une utilisation normale du composant, mais aucun modèle ne gère le cas d’un court-circuit. Or, avec des durées de vie aux alentours de la vingtaine d’années, la modification de la durée de vie restante suite à l’apparition d’un court-circuit est une problématique à intégrer pour optimiser les maintenances préventives ou correctives.La simulation numérique d’un court-circuit d’un module de puissance permettrait de déduire l’endommagement du module et la rectification à effectuer sur la prédiction de la durée de vie restante. Cette démarche étant innovante, de nombreux verrous technologiques et problématiques de modélisation ont dû être résolue. Tout d’abord, comme deux logiciels en éléments finis (ANSYS Mehanical et Sentaurus TCAD) sont utilisés qui ne communiquent pas naturellement entre eux, une passerelle pour permettre ce lien a dû être faite. Une modélisation électro-thermo-mécanique d’une cellule SiC MOSFET 1,2 kV 15 A est présentée dans cette thèse. Pour cette simulation numérique, un modèle de fusion de l’aluminium de surface est adapté et optimisé. Il a aussi été observé dans la littérature une localisation particulière des dégradations par court-circuit. Afin de considérer cette localisation, un modèle multi-échelle est réalisé avec une homogénéisation de la structure de grille de la cellule et une homogénéisation unidimensionnelle de la génération de chaleur de la cellule. Ce modèle est constitué d’une partie microscopique, la cellule, et d’une partie macroscopique, la puce. Ces travaux mettent en place de nouveaux outils pour la modélisation et la simulation de composants de puissance pendant un court-circuit.

Power electronics is experiencing significant growth. Many reliability issues arise from replacing silicon with silicon carbide, particularly concerning the component’s resistance to short circuits. Currently, there are models predicting the remaining lifespan under normal component usage, but none of them address the scenario of a short circuit. However, with lifespans typically around twenty years, the modification of remaining lifespan following a short circuit is a crucial consideration for optimizing preventive or corrective maintenance.The numerical simulation of a short circuit in a power module would allow deducing the damage to the module and the corrections needed for predicting the remaining lifespan. This innovative approach faced various technological challenges and modelling issues. Firstly, as two finite element software (ANSYS Mechanicaland Sentaurus TCAD) were used, which do not naturally communicate with each other, a gateway had to be established to facilitate this connection. An electro-thermo-mechanical modelling of a 1.2 kV 15 A SiC MOSFET cell is presented in this thesis. For this numerical simulation, a surface aluminium melting model is adapted and optimized. Literature has also indicated a specific localization of short-circuit-induced degradations. To consider this localization, a multi-scale model is created, involving homogenization of the cell’s gate structure and one dimensional homogenization of the cell’s heat generation. This model comprises a microscopic part, the cell, and a macroscopic part, the chip. These efforts establish new tools for the modelling and simulation of power components during a short circuit.