Malgré la diversité des exigences selon les domaines d'application, l'objectif principal reste le développement d'une technologie d'encapsulation fiable pour les modules de puissance. Les solutions d'encapsulation les plus courantes aujourd'hui sont les modules soudés avec ou sans plaque arrière, et plus récemment, les modules sans plaque arrière utilisant la technologie de frittage. Ces technologies d'encapsulation présentent des avantages et des inconvénients variés ; c'est pourquoi, lors de la conception en tenant compte de la durée de vie, une évaluation de ces technologies est nécessaire au regard des exigences des applications pour véhicules hybrides et électriques. Les variations de température ambiante, par exemple dans le circuit d'eau de refroidissement, sont responsables des cycles thermiques passifs. De plus, les pertes de puissance qui se produisent dans les semi-conducteurs de puissance entraînent de brèves élévations de température (5 à 20 secondes) de T = 40 °C à 60 °C. Dans ce cas, les semi-conducteurs de puissance sont chauffés, par exemple, de la température du liquide de refroidissement de 70 °C à plus de 110 °C–130 °C, puis refroidis à la température du liquide de refroidissement. En raison des coefficients de dilatation thermique variables des matériaux utilisés, toutes ces variations de température engendrent des contraintes mécaniques. Cela provoque une fatigue des joints de soudure et des connexions, entraînant finalement une défaillance des composants.
Éviter les connexions soudées :
Dans les modules sans carte mère utilisant la technologie de contact par pression, plusieurs méthodes sont mises en œuvre pour améliorer leur fiabilité. En évitant systématiquement les connexions soudées, la fatigue des soudures, principale cause de défaillance mécanique des modules d'alimentation, est totalement éliminée. Les connexions soudées entre les puces et le substrat céramique (DBC) sont ici remplacées par une couche frittée, la connexion étant réalisée par contact par pression. L'absence de carte mère présente plusieurs avantages : premièrement, l'épaisseur de la couche de pâte thermique entre le module et le dissipateur thermique peut être réduite. La pâte thermique étant l'un des principaux facteurs contribuant à la résistance thermique globale du module d'alimentation, il convient d'utiliser la couche la plus fine possible. Dans les modules avec carte mère, une couche de pâte thermique de 75 à 150 µm d'épaisseur est nécessaire pour compenser la flexibilité de la carte mère. Dans les modules sans carte mère, le principal défi consiste à compenser la rugosité de surface du dissipateur thermique et du DBC ; une couche de pâte thermique de 20 à 30 µm d'épaisseur est alors suffisante. Le retrait de la carte mère élimine l'une des principales causes de stress thermique (voir figure 1).
Les contraintes induites par la température sont efficacement réduites et la fiabilité accrue, comme le démontrent les tests de choc thermique accéléré passifs à 40 °C/125 °C : pour les modules frittés sans plaque de base, le nombre de chocs thermiques potentiels a été multiplié par 15. Un autre avantage de l’élimination de la soudure sur les interconnexions et la plaque de base est que, dans les modules avec plaque de base, les zones DBC soudées doivent être minimisées afin de réduire la fatigue des matériaux au niveau des joints de soudure ; ici, la conductivité thermique élevée de la plaque de base assure la diffusion thermique nécessaire. En revanche, dans un module sans plaque de base, la surface DBC peut être plus importante.
Distribution thermique optimale
Cet article analyse le placement des IGBT et d'une diode de roue libre dans un module d'onduleur triphasé de 400 A et 600 V. Dans les modules avec plaque de base, chaque interrupteur semi-conducteur utilise deux IGBT de 200 A et deux diodes de roue libre de 200 A. Une phase complète comprend donc quatre IGBT et quatre diodes de roue libre. La configuration optimale pour les modules sans plaque de base est de quatre IGBT de 100 A et deux diodes de roue libre de 200 A par interrupteur (huit IGBT et quatre diodes de roue libre par phase). De ce fait, la surface de base d'un module triphasé sans plaque de base est environ 10 % supérieure à celle d'un module avec plaque de base (voir figure 2).
Lorsque l'onduleur fonctionne, des pertes par conduction et commutation se produisent, ce qui signifie que les semi-conducteurs de puissance constituent une source de chaleur locale. Grâce à des calculs par éléments finis 3D, il est possible de calculer la diffusion thermique dans un module d'onduleur et un dissipateur thermique pour tout état de fonctionnement donné. Par exemple, lors de l'accélération d'un véhicule hybride ou électrique, la majeure partie des pertes de puissance se produit dans les IGBT, tandis que les diodes de roue libre sont soumises à une charge plus faible (voir figure 3).
Par conséquent, sur l'image thermique, les IGBT apparaissent comme d'importantes sources de chaleur. Dans le cas des modules avec plaque de base, la chaleur se concentre au centre de la configuration triphasée. Du fait de la position finale des semi-conducteurs et de la faible distance entre les phases, la température des IGBT y est parmi les plus élevées. Bien que, dans cet état de fonctionnement, les diodes de roue libre ne soient soumises qu'à une charge modérée, les IGBT entraînent une hausse considérable de la température des diodes au centre du module. Aux extrémités du module d'onduleur, la température des diodes est, en revanche, inférieure de 15 °C. Malgré la plaque de base, les semi-conducteurs de puissance situés dans les régions périphériques du module d'onduleur sont progressivement plus froids que ceux du centre. Ceci conduit finalement à une distribution thermique non homogène entre les trois phases : la charge thermique moyenne des IGBT de la phase centrale est supérieure de près de 10 °C à la température moyenne des IGBT de la phase périphérique. L'écart entre les températures maximale et minimale des IGBT dépasse 20 °C. La phase centrale limite la puissance électrique utilisable de l'ensemble du module d'onduleur. Ceci a deux conséquences : premièrement, les conditions de refroidissement et la charge doivent être choisies de manière à éviter des températures excessives au niveau de la phase centrale ; deuxièmement, les mécanismes de défaillance liés à la température ont un impact plus important sur la phase centrale. Par conséquent, l'ingénieur en charge de la conception des circuits de puissance de l'onduleur doit toujours prendre en compte la température de la phase centrale.
Dans les modules SKiM sans plaque arrière, la répartition de la chaleur est beaucoup plus homogène : là encore, les IGBT constituent les principales sources de chaleur. Cependant, les pertes thermiques étant réparties sur plusieurs points et la distance entre les DBC étant plus importante, l’espace disponible pour la dissipation de la chaleur est accru. Les pertes qui en résultent sont ainsi efficacement dissipées, réduisant l’échauffement mutuel entre les IGBT et les diodes. Cette dissipation thermique optimale garantit également une répartition homogène de la charge sur les différentes phases : la température des IGBT et des diodes est homogène sur les trois phases de l’onduleur, et la température moyenne des IGBT est quasiment identique dans les trois phases. L’écart de température maximal entre les IGBT ne dépasse pas 10 °C. La charge est répartie uniformément, ce qui permet une utilisation optimale de la capacité de refroidissement disponible et simplifie ainsi la conception globale du système. De plus, des capteurs de température sur chaque substrat céramique de DBC permettent une évaluation séparée de chaque phase, offrant ainsi une option de surveillance supplémentaire des températures de fonctionnement.
Température et durée de vie :
Pour analyser la charge thermique réelle d’un onduleur en fonctionnement, il est nécessaire de prendre en compte les variations de charge dans le temps. Lors du fonctionnement d’un véhicule hybride ou électrique, plusieurs états de charge se succèdent : pendant l’accélération, les IGBT sont fortement sollicités, tandis que pendant la décélération, lors de la récupération d’énergie et de la recharge de la batterie du moteur électrique, les diodes de roue libre sont soumises à la charge maximale. Afin de décrire l’échauffement du module d’onduleur en fonction du temps, le comportement du module de puissance doit également être étudié pour des cycles de charge compris entre 0,1 s et 30 s. La résistance thermique des IGBT augmente au fil du temps pour les deux configurations, en fonction de la durée des impulsions de charge (voir figure 4). La chaleur se propage des semi-conducteurs de puissance vers le dissipateur thermique, entraînant un échauffement de l’ensemble du module. Si les impulsions de charge durent plus de 30 secondes, l’ensemble du module atteint sa température optimale et la résistance thermique cesse d’augmenter.
Les valeurs de résistance thermique variables dans le temps peuvent désormais être utilisées pour calculer la charge thermique agissant sur les transistors à semi-conducteurs en fonctionnement. Pour ce faire, des cycles de charge réels, tels qu'ils se produisent dans une application concrète, sont utilisés pour simuler les états de charge typiques et la durée des impulsions de charge. Prenons l'exemple d'un cycle dans un véhicule hybride. Lors des phases de démarrage et d'accélération, l'énergie est puisée dans la batterie pour alimenter le moteur électrique. Pendant ces phases d'accélération, la puissance de sortie atteint 60 kW. La température des IGBT augmente linéairement jusqu'à 95 °C, en fonction de la puissance de sortie de l'onduleur (voir figure 5). Pendant les phases à vitesse constante, la puissance requise par l'onduleur est très faible et la température des semi-conducteurs diminue. Lors de la décélération, l'objectif est de récupérer un maximum d'énergie pour la réinjecter dans la batterie. Dans ce cas, les pertes de puissance des IGBT et des diodes sont sensiblement identiques, tandis que la chaleur à dissiper est maximale et la température des IGBT atteint près de 110 °C.
L'élévation de température maximale des IGBT est de ΔT = 40 °C. En termes de durée de vie du module, cela équivaut à 6 millions de cycles de charge (voir figure 6). L'homogénéité de la distribution de température est cruciale pour la durée de vie de l'onduleur et influence sa conception. Ainsi, si l'élévation de température est seulement de 10 °C supérieure (ΔT = 50 °C), le nombre de cycles de charge possibles est réduit d'un facteur trois, à seulement 2 millions. Pour faciliter la conception d'onduleurs à longue durée de vie et optimiser l'utilisation des semi-conducteurs, une distribution homogène des pertes est absolument essentielle.
conclusion
, les modules frittés sans plaque arrière offrent de nombreuses possibilités pour améliorer la fiabilité des onduleurs destinés aux véhicules hybrides et électriques. Ils éliminent les inconvénients des connexions soudées et des variations de température dues à la plaque arrière. La conception optimisée garantit une distribution de température largement homogène sur l'ensemble des semi-conducteurs de puissance en fonctionnement. Ainsi, pour le calcul de la durée de vie prévue, les trois phases peuvent être considérées de manière équivalente, simplifiant la conception de l'onduleur. La fiabilité de ce dernier, même en cas de fortes variations de température (actives et passives), est considérablement améliorée. En témoignent les diverses applications des modules frittés sans plaque arrière, notamment dans les groupes motopropulseurs électriques, les automobiles et les véhicules utilitaires, ainsi que dans des applications exigeantes comme les voitures de course.
Auteur:
Dr Volker Demuth, chef de produit chez SEMIKRON
