Etude des propriétés des isolants liquides pour l’encapsulation des substrats d’électronique de puissance

A study of insulating liquids properties for encapsulation of power electronics substrates

• Auteur / Autrice : Chencho Dorji
• Direction : Olivier Lesaint, Rachelle Hanna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/03/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'électrostatique et de matériaux diélectriques (Grenoble ; 1971-2006)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Gheeraert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Agnel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sombel Diaham, Christophe Louste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Encapsulation (électronique)

Électrofluidodynamique

Semiconducteurs

Diélectriques

Mots clés libres

Matériaux diélectriques

Electronique de puissance

Haute température

Semi-Conducteurs à grand gap

Isolation électrique

Electrohydrodynamics

Dielectric Material

Wind band gap Semiconductors

High Temperature

Electric Insulation

Power Electronics

Electrohydrodynamics

Résumé

Les modules de puissance basés sur un semi-conducteur à large bande interdite ont le potentiel de résister à des températures élevées (température de jonction >> 200°C) et à des tensions élevées (tension de blocage de 10 kV) contrairement aux modules de puissance à base de silicium. Cependant, le gel de silicone, le matériau d'encapsulation le plus couramment utilisé dans les modules d'alimentation, ne peut pas fonctionner au-dessus de 200°C. De plus, les pannes électriques et les décharges partielles entraînent des dommages permanents au module d'alimentation. Dans ce travail, nous proposons un diélectrique liquide comme agent d'encapsulation potentiel qui pourrait avoir de meilleures performances électriques et thermiques que le gel de silicone. Nous avons effectué la caractérisation diélectrique de plusieurs liquides potentiels et développé un modèle de simulation de champ pour étudier le champ électrique au point triple dans les modules de puissance. Des mesures de décharges partielles ont été effectuées sous courant alternatif et à montée rapide avec différents substrats électroniques de puissance intégrés dans des diélectriques liquides. Nous avons également étudié la possibilité de refroidir des dispositifs de puissance avec une amélioration du transfert de chaleur EHD et réalisé des expériences supplémentaires sur le vieillissement thermique des liquides. Les résultats ont indiqué que les liquides peuvent potentiellement être utilisés comme encapsulants dans les modules de puissance.

Power modules based on wide band gap semiconductor has the potential to withstand high temperature (junction temperature >>200°C) and high voltage (blocking voltage of 10kV) contary to silicone based power module. However, silicone gel, the most commonly used encapsulant material in power modules cannot operatrate above 200°C. Moreover, electrical breakdown and partial discharge events results in permanent damage of the power module. In this work, we propose liquid dielectric as a potential encapsulant that may have better electrical and thermal performance than silicone gel. We did dielectric characterization of several potential liquids and developed field simulation model to study the electric field at triple point in power modules. Partial discharge measurements were made under AC and fast rise with different power electronic substrates embedded in liquid dielectrics. We also investigated the possibility of cooling power devices with EHD heat transfer enhancement and performed some supplementary experiments on thermal againg of liquids. The results indicated that liquids have potential to be used as encapsulant in power modules