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Niveau: Supérieur
N° d'ordre : 2250 Année 2005 THESE Présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique Par Hervé FERAL Ingénieur ENSEEIHT – DEA Génie électrique Modélisation des couplages électro- thermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack. Application à l'Integrated Gate Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA. Soutenue le 22 Septembre 2005 devant le jury composé de MM. J. M. DORKEL Président Ch. SCHAEFFER Rapporteur Z. KHATIR Rapporteur M. ROSSINELLI Invité Ph. LADOUX F. RICHARDEAU J. P. FRADIN
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- mémoire
N° d'ordre : 2250 Année 2005 THESE Présentée pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique Par Hervé FERAL Ingénieur ENSEEIHT – DEA Génie électrique Modélisation des couplages électro- thermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack. Application à l'Integrated Gate Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA. Soutenue le 22 Septembre 2005 devant le jury composé de MM. J. M. DORKEL Président Ch. SCHAEFFER Rapporteur Z. KHATIR Rapporteur M. ROSSINELLI Invité Ph. LADOUX F. RICHARDEAU J. P. FRADIN
- electro-thermo-fluidique ?
- résistances thermiques de contact
- méthode de modélisation électro-thermo-fluidique
- modélisation des couplages électro- thermo-fluidiques des composants
- boîtier press-pack
- analyse thermique de l'assemblage semi
- composant
N° d’ordre : 2250
THESE
Présentée pour obtenir le titre de
Année 2005
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Génie Electrique
Par
Hervé FERAL Ingénieur ENSEEIHT – DEA Génie électrique
Modélisation des couplages électro-thermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack. Application à l'Integrated Gate Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA.
Soutenue le 22 Septembre 2005 devant le jury composé de MM. J. M. DORKEL Président Ch. SCHAEFFER Rapporteur Z. KHATIR Rapporteur M. ROSSINELLI Invité Ph. LADOUX F. RICHARDEAU J. P. FRADIN
Avant-propos
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration de recherche entre le groupe Convertisseurs Statiques du LEEI (INPT-ENSEEIHT-CNRS), la société EPSILON INGENIERIE et la division ABB semi-conducteurs.
Mes premiers remerciements iront à Monsieur B. DESAUNETTES, président d’EPSILON INGENIERIE, pour m’avoir accueilli dans sa société et financé ma thèse et Monsieur Y. CHERON pour m’avoir accueilli au sein du LEEI. Je n’oublie pas Monsieur E. CARROLL sans qui la collaboration avec ABB semi-conducteurs n’aurait pas été possible.
Je tiens à remercier :
¾M. J. M. DORKEL, Professeur à l’INSA TOULOUSE, pour avoir accepté la présidence du jury de thèse.
¾M. Ch. SCHAEFFER, Professeur à l’INP Grenoble, pour avoir accepté la fonction de rapporteur de mes travaux.
¾M. Z. KHATIR, Chargé de recherche à l’INRETS, pour avoir accepté la fonction de rapporteur de mes travaux.
¾M. Ph. LADOUX, Professeur à l’ENSEEIHT et M. F. RICHARDEAU, Chargé de recherche au CNRS, pour avoir participé à l’encadrement de mes travaux de recherche.
¾M. J. P. FRADIN, directeur des activités aéronautiques et terrestre chez EPSILON INGENIERIE, pour avoir encadré mes travaux de recherche.
¾M. J. WALDMEYER, docteur ingénieur chez ABB semi-conducteurs, d’avoir suivi avec intérêt mes travaux.
J’ajoute à ces personnes, Monsieur J. M. BLAQUIERE pour son aide lors des campagnes de mesures au LEEI et Monsieur P. KERN pour son aide lors des campagnes de mesures sur le banc d’identification d’impédances thermiques chez ABB semi-conducteur.
Je remercie également tout le personnel d’EPSILON INGENIERIE et du LEEI que j’ai côtoyé durant ma thèse.
Mes dernières pensées iront à ma famille et mes amis.
Résumé
La température est un paramètre fondamental pour la bonne utilisation des composants semi-conducteurs. Dans les convertisseurs statiques utilisés dans la gamme du MW, les puissances dissipées dans les semi conducteurs sont de l’ordre du kW. Une analyse thermique de l’assemblage semi-conducteur/dissipateur est donc indispensable pour comprendre les phénomènes et les limitations entrant en jeu dans le fonctionnement. Il faut notamment être capable de déterminer la température maximale de fonctionnement (jusqu’à 150°C admissible pour le silicium) et d’étudier les ondulations de température qui influent directement sur la durée de vie du composant.
Les phénomènes thermiques présents dans un composant ne peuvent pas être dissociés des phénomènes électriques (dissipation) et fluidique (refroidissement). Une méthode de modélisation électro-thermo-fluidique a donc été développée. L’assemblage press-pack d’un IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 4.5kV 4kA dans une cellule de commutation a été modélisé en prenant en compte le système de refroidissement.
Dans la structure press-pack à technologie flottante de l’IGCT, les résistances thermiques de contact contribuent pour une grande partie à la résistance thermique jonction boîtier. Une estimation de ces résistances a donc été effectuée à partir d’une mesure profilométrique et d’une mesure directe.
Pour valider la méthodologie de modélisation et recaler le modèle, des mesures thermiques, électriques et fluidiques ont été réalisées sur un composant fonctionnant dans sa cellule de commutation. Le dernier chapitre présente des applications du modèle développé avec notamment une étude de l’influence du sens de circulation de l’eau dans le système de refroidissement des IGCT et une étude des variations de température sur un cycle de fusion d’un four à arc.
¾IGCT ¾Simulation Thermique ¾Modélisation thermique ¾Profil de mission
Mots clefs
¾Electro-thermo-fluidique ¾Contact thermique ¾Mesures de température ¾Four à arc
Abstract
Temperature is an important parameter when you use semi-conductors. In the multi MW power converters the semiconductor losses are upper than kW. The thermal analyzes of the semiconductor package and cooling system must be performed to understand the thermal limitations. The maximal temperature can not be upper than 150°C for silicium components. The temperature variations have an impact on the component life time.
The thermal phenomena in the power electronic component can not be dissociated with the electric phenomena (losses) and fluidic phenomena (cooling). An electro-thermo-fluidic modelling method has been elaborated. The method is used to study an IGCT (Integrated Gate commutated Thyristor) 4.5kV 4kA in the switching cell with his water cooling system.
The IGCT use a press-pack floating mount package technology. The thermal contact resistances have an important impact on the heat transfer in the package. The thermal contact resistances have been estimated with a profilometric measure and a direct measure.
To validate the method and tune the model, thermal, electric and fluidic measurements are performed in an IGCT in MW switching operation. The last chapter introduces the model applications. The model is used to study the water flow direction in the IGCT cooling system. Transient simulations are used to study the temperature fluctuation on an arc furnace melting cycle.
¾IGCT ¾Thermal simulation ¾Thermal modelling ¾Mission profile
Keywords
¾Electro-thermo-fluidic ¾Thermal contact ¾Temperature measurement ¾Arc furnace
Modélisation des couplages électro-thermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack
Notations Grandeurs physiques Indices
Introduction
Table des matières
151516
19CHAPITRE I Les composants de forte puissance. La modélisation 2121212223 23 25 262626 27 2829 293032 3333 34 3535 36 36 38
thermique I.1. Les composants I.1.1. IGBT I.1.2. Bipolaires I.1.2.1. Thyristor I.1.2.2. GTO I.1.2.3. IGCT I.2. Les boîtiers I.2.1. Modules I.2.1.1. Composition du boîtier I.2.1.2. Montage I.2.2. Pressés I.2.2.1. Composition du boîtier I.2.2.1.1. Classique I.2.2.1.2. IGCT I.2.2.2. Montage I.2.3. Bumping de puissance I.2.3.1. Composition du composant élémentaire I.2.3.2. Phase I.3. La modélisation thermique en électronique de puissance I.3.1.1. Modèles mono-dimensionnels (1D) I.3.1.2. Modèles bi-dimensionnels (2D) I.3.1.3. Modèles tri-dimensionnels (3D) I.4. Conclusion du chapitre
CHAPITRE II Modélisation thermique de l'IGCT II.1. Modèle thermique conductif II.1.1. Système modélisé II.1.2. Réduction du modèle II.1.3. Propriétés des matériaux II.1.3.1. Matériaux bruts II.1.3.2. Matériaux équivalents II.1.3.2.1. Doigts de cathode II.1.3.2.2. Ressort II.1.4. Zones de dissipations
9
393940414242 43 434545
II.1.5. Contact II.1.6. Conditions aux limites II.1.7. Maillage et discrétisation II.1.7.1. Discrétisation angulaire II.1.7.2. Surfacique II.1.7.3. Interne II.1.7.4. Discrétisation temporelle II.2. Modèle électro-thermique II.2.1. Conduction II.2.1.1. Modèle circuit II.2.1.2. Modèle statistique II.2.1.3. Conclusion II.2.2. Commutation II.2.2.1. Energie au blocage II.2.2.2. Energie à l’amorçage II.2.3. Pertes totales II.3. Modèle thermo-fluidique II.3.1. Température de référence II.3.2. Coefficients de convection II.3.2.1. Propriétés physiques de l’eau II.3.2.2. Corrélation II.3.2.3. Insertion dans le modèle thermique II.4. Pré-analyse des résultats II.4.1. Régime permanent II.4.2. Régime transitoire II.5. Conclusion du chapitre
Table des matières
46464747 48 50 52 525353 54 56 5757 59 5960606061 62 63 64646869
CHAPITRE III Validation du modèle thermique de l'IGCT 71III.1. Mesures 71III.1.1. Méthodes de mesure de la température dans des composants de puissance 71III.1.2. Instrumentation 72III.1.3. Température 72III.1.3.1.1. Thermocouples 72III.1.3.1.2. Température de jonction 75III.1.3.2. Fluidique 75 III.1.3.3. Electrique 76 III.1.4. Environnement électrique 77III.1.4.1. Conduction 77 III.1.4.2. Commutation 78 III.2. Résultats de mesures 79III.2.1. En conduction 79III.2.2. En commutation 80III.3. Recalage 81III.3.1. Régime permanent 82III.3.1.1. Modèle thermique conductif 82 III.3.1.2. Modèle thermo-fluidique 83 III.3.1.3. Modèle électro-thermique 84 III.3.2. Régime transitoire 84
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Modélisation des couplages électro-thermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack
III.4. Conclusion du chapitre
CHAPITRE IV Résistances thermiques de contact IV.1. Calcul IV.1.1. Méthodes de calcul IV.1.1.1. Résistance de constriction IV.1.1.2. Résistance interstitielle IV.1.1.3. Résistance radiative IV.1.2. Calcul de la résistance thermique de contact boîtier dissipateur IV.2. Mesure IV.2.1. Méthodes de mesure IV.2.1.1. Mesures en régime permanent IV.2.1.2. Mesures en régime transitoire IV.2.2. Maquette de mesure IV.2.2.1. Méthode de mesure IV.2.2.2. Dimensionnement IV.2.3. Validation de la méthode IV.2.4. Mise en place de la maquette IV.2.5. Résultats des mesures IV.2.5.1. Vérification des données IV.2.5.2. Reproductibilité IV.2.5.2.1. Mesure classique IV.2.5.2.2. Recalage du modèle IV.2.5.2.2.1. Première méthode IV.2.5.2.2.2. Seconde méthode IV.2.5.2.3. Conclusion IV.2.5.3. Quantification de l’erreur de mesure IV.2.5.3.1. Modélisation de l’impact des points de mesures IV.2.5.3.2. Méthode de réduction des incertitudes de mesures IV.2.5.4. Influence de la force de serrage IV.2.6. Conclusion IV.3. Conclusion du chapitre
85
87878787 90 91 92949595 96 9797 99 101104106106 108 108110110110111111 111113115 116116
CHAPITRE V Exploitation du modèle 117V.1. Application à la caractérisation thermique des composants 117V.2. Influence du sens de circulation de l'eau 118V.3. Etude des variations de température sur convertisseur de four à arc à courant continu 119V.3.1. Extraction des paramètres de fonctionnement de l’IGCT 120V.3.2. Résultats 121V.3.2.1. Puissance constante 121 V.3.2.2. Courant constant 122 V.3.2.3. Conclusion 123 V.3.3. Estimation de la durée de vie 124V.3.3.1. Endommagement et cycles à rupture 124 V.3.3.2. Extraction des variation de température 125 V.3.3.2.1. Méthode des variations positives 125V.3.3.2.2. Méthode des variations positives et négatives 126
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