L’émergence de composants de puissance à semi-conducteur « Grand Gap » à tension de rupture élevée permet d’envisager une montée en tension et en fréquence significative des modules de puissance, pouvant permettre d’améliorer le rendement et de réduire la masse des convertisseurs d’énergie électrique, utilisés notamment dans les domaines des réseaux HVDC et des transports (ferroviaire, automobile, aéronefs). Ainsi, la conception de modules de puissance fonctionnant jusqu’à 20 kV est un réel enjeu, les modules commerciaux actuels, équipés de puces en silicium, ne dépassant pas un calibre de 6,5 kV ; quelques prototypes 10kV sont en cours de test. Néanmoins, cette montée en tension s’accompagne de contraintes électriques plus sévères sur le système d’isolation électrique (S.I.E.) interne du module, généralement constitué d’un substrat céramique métallisé et d’un gel silicone d’encapsulation. Ces nouvelles contraintes demandent de repenser globalement la conception du packaging des modules de puissance et du S.I.E. en particulier, afin d’accroître leur tenue en tension.
L’objectif de cette thèse est double : étudier les phénomènes affectant la tenue du substrat céramique métallisé épais et de son matériau encapsulant, dans une gamme de tension au-delà de 10 kV, et en déduire des solutions de mise en œuvre permettant la conception d’un module de puissance de calibre 20 kV.
Après un état de l’art des différents mécanismes conduisant à l’apparition de décharges partielles et à la rupture diélectrique des solides et liquides, des substrats en nitrure d’aluminium (AlN) épais métallisés, de structure classique, ont été soumis à des mesures électriques en AC 50 Hz de la tension d’apparition des décharges partielles et de rigidité diélectrique. En plus de l’épaisseur du substrat, les effets du type de métallisation et du matériau encapsulant (liquide, gel et solide) sont évalués, aidant ainsi à identifier les mécanismes mis en jeu. Une analyse des dégradations post-claquage permet de compléter certaines observations. De même, des mesures de rigidité diélectrique en DC en polarités positive et négative ont été analysées. Enfin des solutions pour contrôler les mécanismes conduisant à l’apparition de décharges partielles puis à la rupture diélectrique sont mises en œuvre. Premièrement des solutions géométriques, proposées dans la bibliographie pour des substrats fins en vue de réduire le champ électrique au point triple entre céramique/métal/encapsulant, sont dimensionnées et testées sur des substrats en AlN de 3 mm d’épaisseur. Ces substrats architecturés ont permis une augmentation notable de la tension d’apparition des décharges partielles mais qui reste insuffisante pour les applications en haute tension visées. Une autre proposition de structure mise en œuvre a consisté en l’application d’un dépôt de parylène sur les substrats afin d’empêcher l’initiation de décharges dégradantes au sein du gel silicone. Les résultats obtenus montrent que cette solution permet également d’augmenter la tension d’apparition des décharges partielles.
Ce travail de thèse a démontré que pour concevoir un module de puissance fonctionnant sous des tensions pouvant atteindre 20 kV, il sera sans doute nécessaire de combiner plusieurs solutions de design et de choix des matériaux constituant leur système d’isolation électrique. En effet, l’importance des phénomènes physiques complexes apparaissant sous fort champ électrique à l’interface entre l’encapsulant et le substrat et dans le volume de l’encapsulant d’une part, et les limites des substrats architecturés d’autre part, ont en effet été mises en évidence dans le cadre de ce travail de thèse. Une meilleure compréhension et prise en compte en simulation des mécanismes de génération et de transports de charge seront nécessaires pour la conception de solutions d’isolation électrique efficaces de modules de puissance devant fonctionner à 20 kV. |
The emergence of “Wide-Bandgap” semiconductor power components with high breakdown voltages means that power modules can be significantly upgraded in terms of voltage and frequency, which could improve the efficiency and reduce the mass of electrical energy converters, used in particular in HVDC grids and in the transport sector (railways, automotive, aeronautic). The design of power modules operating at up to 20 kV is a real challenge, as current commercial modules, equipped with silicon chips, do not exceed a rating of 6.5 kV; a few 10kV prototypes are currently being tested. Nevertheless, this increase in voltage involves more severe electrical constraints on the module's internal electrical insulation system (E.I.S.), generally consisting of a metallized ceramic substrate and a silicone gel encapsulation. These new constraints call for a global rethink of power module packaging, and of the E.I.S. in particular, in order to increase their voltage withstand.
The aim of this thesis is twofold: to study the phenomena affecting the voltage withstand of the thick metallized ceramic substrate and its encapsulating material, in a voltage range above 10 kV, and to deduce implementation solutions enabling the design of a 20 kV-caliber power module.
Following a review of the various mechanisms leading to the inception of partial discharges and dielectric breakdown of solids and liquids, thick metallized aluminum nitride (AlN) substrates of conventional structure were subjected to AC 50 Hz electrical measurements of partial discharge incetion voltage and dielectric strength. In addition to substrate thickness, the effects of metallization type and encapsulating material (liquid, gel and solid) were evaluated, helping to identify the mechanisms involved. An analysis of post-breakdown degradation helps to complete some observations. DC dielectric strength measurements in positive and negative polarities have also been analyzed. Finally, solutions to control the mechanisms leading to the inception of partial discharges and subsequent dielectric breakdown have been implemented. Firstly, geometric solutions proposed in the bibliography for thin substrates to reduce the electric field at the triple point between ceramic/metal/encapsulant were designed and tested on 3 mm thick AlN substrates. These architecturally-designed substrates have enabled a significant increase in the partial discharge’s inception voltage, but remain insufficient for the high-voltage applications targeted. Another proposed structure involved the use of a parylene deposit on the substrates to prevent the initiation of degradative discharges within the silicone gel. Results show that this solution also increases the partial discharge’s inception voltage.
This thesis work has demonstrated that, in order to design a power module operating at voltages of up to 20 kV, it will undoubtedly be necessary to combine several design solutions and choices of materials constituting their electrical insulation system. Indeed, the importance of the complex physical phenomena occurring under high electric field conditions at the interface between the encapsulating material and the substrate and within the encapsulant volume, on the one hand, and the limitations of architecturally-designed substrates, on the other, were highlighted here. A better understanding and simulation of charge generation and transport mechanisms will be needed to design efficient electrical insulation solutions for power modules operating at 20 kV. |