Conception des connexions internes :
Pour obtenir un module performant et hautement fiable, un système de connexions internes bien conçu est essentiel (Figure 2). Dans le SKiM, les connexions ont été conçues en tenant compte des paramètres suivants :

- Connexions sans soudure à faible inductance entre les bornes d’alimentation et les puces.
- Capacité à gérer des courants élevés avec des pertes minimales.
- Chemins de courant symétriques, assurant une bonne répartition du courant entre les puces en parallèle.
- Points de pression positionnés au plus près des puces pour une faible résistance thermique.

La structure sandwich avec des chemins de courant parallèles sur chaque puce garantit une inductance parasite interne très faible. L’inductance LCE entre les bornes de connexion CC et CA est inférieure à 10 nH, et l’inductance totale entre CC+ et CC- est inférieure à 20 nH. 

Une analyse par éléments finis a montré que l'inductance est principalement due à la distance entre les bornes DC+ et DC-. Lors de la conception, des simulations par éléments finis ont permis d'optimiser le circuit et de réduire l'inductance jusqu'à 30 % (-10 nH). Une amélioration supplémentaire est impossible car la structure sandwich, qui génère une inductance moindre, ne peut être utilisée ici en raison de la nécessité de maintenir l'isolation entre DC+ et DC-. Seule l'utilisation de connexions en parallèle sur le bus de condensateurs permettrait d'obtenir une réduction d'inductance encore plus importante.

Ce design présente plusieurs avantages pour les utilisateurs, notamment la faible surtension générée lors de la commutation. Ceci permet au module de fonctionner à des niveaux de tension plus élevés et de s'arrêter en douceur, même en cas de court-circuit. Cette commutation sans surtensions importantes garantit de faibles pertes de commutation et un faible bruit électromagnétique.
Les récents progrès en matière de technologie des semi-conducteurs ont permis d'accroître la densité de puissance sur toute la gamme de boîtiers. Le courant nominal des puces des modules SKiM 93 600 V est de 900 A, soit près du double du courant nominal des modules standard. Cette valeur dépasse également la limite imposée par la capacité de courant des bornes de puissance des modules IGBT. Le matériau utilisé pour les puces des modules SKiM confère à ces derniers une résistance totale rcc'-ee', incluant la résistance de contact, de seulement 300 µΩ, soit la moitié de celle des modules conventionnels. Par ailleurs, les forces de contact élevées garantissent une faible résistance de contact. 

De plus, les pertes générées sont rapidement transmises à travers la surface du DBC et au dissipateur thermique via les nombreux points de contact.
En fonctionnement en onduleur, les courants les plus élevés traversent la borne CA. C'est pourquoi cette borne est située à la base de la structure sandwich, car ce point offre les meilleures conditions de refroidissement. Le module est conçu pour des courants de sortie CA effectifs de 600 A à une température de dissipateur thermique de 70 °C. Cette valeur dépasse le courant de sortie maximal pour lequel les puces ont été conçues (voir tableau 1). Tout ceci garantit que, même avec des pertes de puissance d'environ 2 000 W, la température de la borne reste inférieure à 125 °C (voir figure 2).

Agencement du DCB :
La conception du DCB et le placement des puces sont essentiels pour le comportement de commutation et la résistance thermique des semi-conducteurs. Une conception asymétrique peut facilement engendrer une distribution de courant non homogène de 10 % ou plus entre les différentes puces. Dans ce cas, le courant de sortie total est limité par le composant présentant les pertes les plus élevées. 

Les variations de tension dues aux inductances parasites peuvent provoquer des oscillations entre différentes puces en parallèle et entraîner des vitesses de commutation différentes. Pour garantir une commutation synchrone, les inductances doivent être minimales et, surtout, avoir la même influence sur toutes les puces. Une conception basée sur une structure avec deux IGBT de part et d'autre et une diode de roue libre au centre garantit une faible inductance et de bonnes performances de commutation. Le chemin de courant commuté entre l'IGBT et la diode est aussi court que possible et sa longueur est identique pour la partie supérieure (TOP) et la partie inférieure de la branche IGBT (voir figure 3).
La figure 4 illustre le comportement de commutation d'un module SKiM 63 à 600 A et 900 Vcc. Les pertes de commutation, les surtensions et le di/dt sont pratiquement identiques pour les IGBT supérieur et inférieur. Ce comportement n'est pas systématique, car des différences apparaissent souvent en raison des inductances parasites variables sur le chemin de courant.

De même, pour exploiter pleinement les capacités des composants, une bonne répartition du courant entre les puces parallèles du module est essentielle. L'impédance des chemins de courant DC+ et DC- doit être identique pour toutes les puces, et l'influence du courant sur le circuit de déclenchement doit affecter chacune d'elles de la même manière.
La première condition est remplie grâce à l'utilisation d'un système de carte sandwich. Le champ magnétique reste pratiquement inchangé lors de la commutation du courant de DC+ à DC-. Les inductances des bornes d'alimentation sont couplées et donc négligeables. L'impédance est identique pour toutes les puces parallèles.
La seconde exigence a également été prise en compte lors de la conception de ce module. Tous les IGBT présentent la même tension grille-émetteur, même en régime dynamique. Dans la configuration IGBT-diode-IGBT, les chutes de tension induites par di/dt s'annulent mutuellement, ce qui signifie que toutes les puces sont affectées de la même manière par la chute de tension aux bornes des fils de connexion. Il en résulte une excellente répartition du courant, même en cas de court-circuit extrême.

Résistance thermique (Rth) :
La nouvelle génération de puces, caractérisée par une faible chute de tension directe et des températures de jonction élevées (jusqu’à 175 °C), permet d’atteindre des intensités nominales très élevées dans ces modules. La densité de courant peut même dépasser 2 A/mm². En choisissant la taille de puce appropriée, il est possible d’obtenir un compromis optimal entre l’intensité nominale, les besoins en refroidissement et le coût.

La résistance thermique (Rth) dépend de la taille des puces, mais aussi de la distance qui les sépare (voir figure 5). Les grandes puces présentent un gradient de température important sur leur surface, ce qui entraîne une mauvaise conduction thermique au sein du module. En plaçant plusieurs petites puces, de même surface effective mais légèrement espacées, on améliore Rth. Si cet espacement est faible, un effet de réchauffage se produit entre les puces. En revanche, si l'espacement est important, la résistance thermique est plus faible. La gamme SKiM offre le compromis optimal entre performances thermiques maximales et surface effective maximale, avec une surface comprise entre 60 et 80 mm² et un espacement de 3 mm entre les puces.
Des contacts par pression de part et d'autre des puces empêchent la déformation de la base en céramique. Ceci permet de réduire l'épaisseur de pâte thermique nécessaire, de 80-100 µm pour les modules conventionnels à 20-30 µm pour les modules SKiM, améliorant ainsi la résistance thermique du contact entre le module et le dissipateur. De plus, les excellentes propriétés de conduction thermique de la fine couche d'argent fritté qui lie la puce à la semelle en céramique améliorent encore la résistance thermique (Rth) du module SKiM par rapport aux modules conventionnels où la puce est soudée à la semelle en céramique.

Fiabilité :
La solution traditionnelle utilisant des modules de puissance avec une semelle en cuivre soudée est inadaptée aux cycles thermiques exigeants des applications automobiles. Les différents coefficients de dilatation thermique des matériaux impliqués génèrent des contraintes mécaniques au niveau des joints, pouvant entraîner une rupture par fatigue. Un module à contact par pression sans semelle en cuivre constitue une alternative aux solutions traditionnelles. De plus, la faible résistance thermique et la répartition homogène des points chauds réduisent l’écart de température entre les différentes parties du module, augmentant ainsi sa durée de vie. 

Pour améliorer la résistance aux cycles de charge, même à haute température, la famille de modules SKiM utilise une technologie de frittage à basse température pour lier les puces à la plaque de base en céramique (DCB). Si cette liaison était soudée, comme dans d'autres modules industriels, un vieillissement se produirait, entraînant une augmentation de la résistance thermique et, à terme, une défaillance du module. La liaison par frittage est réalisée grâce à une fine couche d'argent à haute conductivité thermique. Le point de fusion de l'argent est de 900 °C, largement supérieur à la température maximale admissible de la puce (175 °C). Lors des tests effectués avec des modules frittés, aucun effet de fatigue n'a été observé (voir figure 6). En éliminant ce mécanisme de défaillance, la fiabilité globale du système est considérablement accrue. 

Grâce à l'utilisation de la technologie de contact par pression et ressort et à l'élimination des semelles en cuivre avec des puces soudées, les modules SKiM suppriment totalement le besoin de soudure. De plus, les nouvelles puces IGBT utilisées supportent des températures maximales de 175 °C, ce qui permet la conception de convertisseurs de puissance compacts, ainsi qu'une densité de puissance, une fiabilité et une résistance aux cycles thermiques inégalées.

Auteur:

Dr Arendt Wintrich, Responsable des applications SEMIKRON

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