Exploration des stratégies de refroidissement par jets confinés pour les convertisseurs à composants WBG

Exploring confined-jet cooling strategies for WBG component converters

• Auteur / Autrice : Mohammed riadh Berramdane
• Direction : Benjamin Rémy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 13/01/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Energie et Transferts

Mots clés

Mots clés libres

Refroidissement

Jets confinés

Composants WBG

Cooling

Jet cooling

WBG component

Résumé

Le système de transmission électrique est un élément clé de la mobilité future. Afin de réduire la masse embarquée dans les véhicules, il est souhaitable de réduire l'encombrement, d'augmenter le rendement et la densité de puissance de l'ensemble du système de traction électrique. L'émergence récente des nouvelles technologies de semiconducteurs à large bande interdite, aussi connus sous le terme anglais Wide-Band Gap (WBG), offrent un potentiel élevé pour des transmissions électriques efficientes, compactes et économiques. L'utilisation à performance maximale des composants WBG requiert cependant un système de refroidissement dédié et optimisé. Dans la littérature, de nouvelles architectures de systèmes de refroidissement sont apparues récemment pour répondre à cette problématique. Néanmoins, le développement de ces solutions nécessite un effort de recherche pour comprendre les phénomènes thermiques impliqués dans ce processus de refroidissement. Dans cette thèse, des solutions de refroidissement par impact de jets confinés seront étudiées. Avec l'augmentation constante de la densité de puissance des convertisseurs à base de composants WBG, la modélisation électrothermique devient une nécessité pour une prédiction précise des performances électriques et thermiques des composants (température de jonction), afin d'en améliorer leur fiabilité. Pour y parvenir, nous proposons dans cette thèse le développement d'une maquette expérimentale représentative d'une carte d'électronique de puissance (EdP) à base de composants WBG refroidie par jets confinés. Une méthodologie de mesure optique thermique sera déployée, pour établir une base de données expérimentales suffisamment représentative des composants WBG dans un environnement réel. Cette base de données sera confrontée aux modèles thermiques pertinents des références bibliographiques. Des modèles basés sur les réseaux d'impédances thermiques pourront ensuite être proposés et testés en vue de développer un outil de calcul pour estimer finement les températures de jonction des puces WBG.

The electric transmission system is a key element of future mobility. It is desirable to reduce the footprint, increase the efficiency and power density of the entire electric traction system. The recent emergence of new Wide-Band Gap (WBG) semiconductor technologies offer great potential for efficient, compact, and economical power transmissions. The maximum performance use of WBG components, however, requires a sufficiently efficient cooling system. In the literature, new architectures of cooling systems have recently appeared to respond to this problem. Nevertheless, the development of these solutions requires a research effort to understand the thermal phenomena involved in this cooling process. In this thesis, cooling solutions by jet impingement liquid cooling will be studied. With the constant increase in power density of converters based WBG components, electrothermal modeling becomes a necessity for an accurate prediction of electrical and thermal performance of components (junction temperature) to improve their reliability. To achieve this, we propose in this thesis the development of a representative experimental model of a power electronic board based on WBG components cooled by jet impingement. An optical thermal measurement methodology will be deployed, to establish an experimental database sufficiently representative of WBG components in a real environment. This database will be compared to the relevant thermal models of the bibliographic references. Models based on thermal impedance networks can then be proposed and tested to develop a calculation tool making it possible to finely estimate the WBG chips junction temperature.