Modélisation des couplages électrothermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack. Application à l'Integrated Gate Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA.

Abstract

La température est un paramètre fondamental pour la bonne utilisation des composants semiconducteurs. 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.