Thèse soutenue

Etude de solutions à base de cuivre pour la gestion thermique des modules de puissance
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Auteur / Autrice : Goulven Janod
Direction : Yvan Avenas
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie électrique
Date : Soutenance le 22/11/2023
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Electronique de puissance (Grenoble)
Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Cyril Buttay
Examinateurs / Examinatrices : Christian Schaeffer
Rapporteurs / Rapporteuses : Paul-Etienne Vidal, Patrick Tounsi

Résumé

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L’arrivée à maturité des composants semi-conducteurs à grand gap permet aux constructeurs aéronautiques d’envisager une électrification importante des aéronefs dans le but de réduire la masse embarquée et ainsi leur consommation de carburant. Ces composants présentent en revanche des densités de pertes thermiques nettement plus élevées qu’avant, et la gestion de ces pertes devient une des problématiques principales en électronique de puissance. Le domaine de l’aéronautique ajoute à cela des contraintes d’environnement thermique particulièrement sévère. Les boitiers contenant les composants de puissance doivent donc être repensés pour à la fois présenter des meilleures capacités de refroidissements et être capables de résister à des températures typiquement supérieures à 150°C.Dans ces travaux, différentes solutions à base de cuivre sont étudiées dans le but de remplacer certains éléments limitants dans les modules de puissance. Une première innovation est de remplacer les habituelles brasures par des joints de cuivre thermocompressés. Des accroches de composants ont été réalisées sur différents types de joints de cuivre et dans différentes conditions de thermocompression. De nombreuses caractérisations acoustique, optique, mécanique et thermique ont permis de montrer que ce type d’accroche était comparable à la brasure, et des essais de vieillissement isotherme et de cyclage thermique passif ont mis en avant la tenue dans le temps de ces accroches.Une seconde innovation est la réalisation d’un dissipateur de chaleur tout en cuivre, intégrant une mousse de cuivre d’une porosité de 60% relativement faible. La circulation d’un liquide à travers cette mousse permet d’obtenir un refroidissement efficace grâce notamment à la conductivité thermique équivalente élevée de la mousse, à sa grande surface d’échange et à ses coefficients d’échange importants. Un système de canaux répartissant intelligemment le liquide dans la mousse permet d’obtenir un refroidissement homogène des différents composants. La géométrie de dissipateur a d’abord été étudié sous la forme de simulations numériques, qui ont permis de comprendre les phénomènes en jeu. Le démonstrateur expérimental réalisé à la suite, encore perfectible, a montré des résultats largement comparables avec ceux présentés dans la littérature.