isp_hmorel_1-3

Ampère Lab
CNRS Associated Lab 5005
Electrical Engineering, Electromagnetism, Control, Environmental Microbiology and Applications
Hervé Morel
Directeur de Recherche, CNRS
http://hmorel.ampereforge.org/telechargement
RP à l'ANR
Hervé MOREL, http://hmorel.ampereforge.org
1
Pourquoi de l'intégration de
puissance ?
1
Électrification accrue => EP partout
Dans les transports, la masse et le volume sont discriminant =>
compacité
La fabrication collective2 augmente la fiabilité
La fabrication collective diminue les coûts
EP1 = Électronique de Puissance,
Fabrication collective2 ↄ Intégration de puissance
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2
Technologies d'intégration de
puissance
Bus-barre
Modules hybrides
Fort courant, isolant très fin
Substrat céramique
Al2O3, AlN, Si3N4
Intégration 3D hybride, CPES, ECPE, 3DPHI
Intégration monolitique de puissance : CMOS (mobile), SOI
(Automobile) ...
PCB + radiateur ...
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3
contexte de l'intégration de puissance
Objectif de l'ISP
1) compacité
http://www.cpes.vt.edu
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4
Objectifs de l'ISP
1) compacité
http://www.ecpe.org
2) modularité
Intégration 3D
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5
Objectifs de l'ISP
http://www.ecpe.org
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6
Objectifs de l'ISP
http://www.ecpe.org
Packaging, matériaux
3) fiabilité
4) coût (fab. collective)
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7
Matériaux pour l'ISP
IV
Gel silicone,
polyimides ...
B
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Cu Zn Ga Ge As Se Br
Kr
Cu, Ag, Al ...
Ni
Pd Ag Cd In
Pt
Sn Sb Te I
Au Hg Th Pb Bi
Conducteur
Po At
Xe
Rn
Semiconducteur
Isolant
Si, SiC, GaN, Diamant ...
AlN, Al2O3, Si3N4, SiO2, Diamant
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8
Objectifs de l'ISP
http://www.ecpe.org
Compacité mais ...
Complexité ?
puissance ?
thermique ?
CEM ?
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9
A1 - Électronique de puissance
Source
Charge
Filtre
CEM
Lissage
Commutation
Source
d'énergie
CEM
Découpage (fs)
Lissage (L,C)
Pertes en conduction
consommation
Pertes en commutation
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10
Cellule de commutation
Thèse Kaissar Ammous, INSA, 2002
iF
Source
Charge
Filtre
CEM
Lissage
vR
Commutation
vR
iF
Rôle du cablage !
cellule de commutation (à l'échelle de la commutation)
Modélisation du découpage et des pertes !
Cellule de commutation à haute tension ???
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11
commutation
100 ns à qq µs
Hatem Garab, thèse INSA 2003
VR
5
BYT12P600
+ IRF 740
IF
To= 300 K
0
To = 380 K
I diode [A]
-5
Modélisation multiphysique
To = 440 K
-10
-15
Experimental waveform
simulated waveform
simulated waveform
simulated waveform
-20
-25
shunt
LD
l sh
60,0n
Cable model
Rs
140,0n
160,0n
180,0n
200,0n
0
Probe model
Diode
l dio2
To = 440 K
-100
ld
lg
MOS
Rg
LG
IF
ls
To = 300 K
[V]
Probe model
diode
VR
120,0n
-200
To = 380 K
V
C
100,0n
Time [s]
ldio1
R
80,0n
Cs
Experimental waveform
simulated waveform
simulated waveform
simulated waveform
-300
U
DESSIS
-400
60,0n
80,0n
100,0n
120,0n
140,0n
160,0n
180,0n
200,0n
Time [s]
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12
Commutation (2)
Hatem Garab, thèse INSA 2003
5
To= 300 K
VR
0
IF
To = 380 K
I diode [A]
-5
Pertes en conduction
P ON =i F vON
To = 440 K
-10
-15
Experimental waveform
simulated waveform
simulated waveform
simulated waveform
-20
-25
Pertes à l'état bloqué
60,0n
P OFF =i OFF v R
80,0n
100,0n
120,0n
140,0n
160,0n
180,0n
200,0n
Time [s]
0
To = 440 K
Pertes en commutation
-100
Premier principe
-200
To = 380 K
V
dU
= p−Q
dt
diode
[V]
E SW = E SW  I F ,V R ,T ,...
To = 300 K
Experimental waveform
simulated waveform
simulated waveform
simulated waveform
-300
t2
E SW ≠∫ i (t)v (t) dt
t1
-400
60,0n
80,0n
100,0n
120,0n
140,0n
160,0n
Time [s]
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13
180,0n
200,0n
Pertes: conduction et commutation
Pertes en conduction
P ON =i F vON i F ,T 
auto-échauffement
Application fort courant
PIN: PON/S ~ EG JF
Pertes à l'état bloqué
Si: 300 W/cm²
P OFF =i OFF v R ,T  v R
SiC: 1000 W/cm²
Négligeable ?
Application haute tension (VBR)
Application haute température
Pertes en commutation
E SW = E SW  I F ,V R ,T ,...
Câblage, CEM ...
Pertes
Q= P ON P OFF  f E SW
Limite fréquentielle
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14
Caractéristiques des composants
de puissance
Chute de tension à l'état passant
v ON i F ,T 
Courant de fuite
i OFF v R ,T 
Tenue en tension (VBR)
v BR T 
Pertes en commutation ?
Liens entre ces caractéristiques et
les paramètres de conception technologique
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15
Thermique
Chaleur, température ?
physique
Agitation thermique
diffusion
irréversibilité
second principe
Conduction thermique
convection (fluide)
radiation (photon)
Flux de chaleur
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16
Conduction thermique
 =−

grad T
Loi de Fourier
λ , conductivité thermique du matériau
λ
W m-1 K-1
Équation de la chaleur
air
0,026
Cu
390
Si
156
∂T
∂2 T
c
= 2 Pt , x
∂t
∂x
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17
Impédance thermique Transitoire
Espace semi-inifini : solution exacte
2
t
T  x , t =T A ∫ q t −t 1 
0
e
−x
4 D t1
 t1
dt 1
q t 
P  x , t =
 x
S

D=
c
q
P
0
T0
TA
τ
t
TMAX
t
T0(t)=T(0,t)

 P0
T MAX =T MAX −T A = 4
 c S


1
Z TH =
4
S
  c
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18
Impédance thermique Transitoire
T0
TA
TMAX
t


1
Z TH =
4
S
  c
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thermique des assemblages
Résistance thermique (solution stationnaire)
S
RTH =
e
C TH = c V
Capacité thermique
Résistance thermique de contact
Cône de diffusion
Discrétisation par
différences finies
...
Environ 100
éléments !
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20
Thermique - refroidisseur
Expression du flux de chaleur en convection
(Loi de Newton)
P=h S T S −T ∞ 
H, coefficient d'échange thermique ( Wcm-2K-1 )
milieu
convection
air
naturelle
h (W/cm2/K)
0,5 à 2 x10-3
RTH (S= 20cm²)
100 à 25
°C/W
eau
air
eau
naturelle forcée
forcée
0,01 à 1,5 x10-3 à
0,015 à 1,5
0,09
0,05
5 à 0,5
30 à 1
3 à 0,03
RTH V ~100 à 500 cm ° C /W
Volume du refroidisseur !
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21
Thermique - rayonnement
Loi des corps noirs (Planck)
M = T 4
la loi de Stefan-Boltzmann
=
M(225°C) ~ 0,35 W/cm²
2 5 k 4B
15 h3 c
−12
−2
−4
~5,6704
x
10
Wcm
K
2
M(625°C) ~ 1,77 W/cm²
Peu important sauf à haute température !
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22
Thermique - bilan
T =T J −T A =R TH P
Augmentation de P 100W/cm² -> 300W/cm² -> ...
1 - Diminuer RTH
2 - Diminuer TA
3 – Augmenter TJ
Rôle de CTH -> transitoire (lissage thermique)
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23
A3 - Rôle du câblage
Position du problème
i1
v2
v1
i2
Pistes de connexions sur
un PCB ou un module DBC
Couplage inductif entre les pistes
Couplage capacitif entre pistes et plan de masse
Diffusion des courants HF (effet de peau ...)
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24
Rôle du câblage
Equations de Maxwell
i1
v2
v1
i2

∂
B

 E
rot
=0
∂t
 =
div D
 = { E
 }
D
E
 =0
div B

∂
D


 H =J 
rot
∂t
 = { B
}
H
B
Méthodes numériques (intégrales de frontière)
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25
Potentiels électrique et magnétique

∂A



E= J − grad V−
∂t
 = rot

 A
B
Solution des potentiels retardés
∥x −x '∥
 t−
, x '
3
1
c
V t , x =
d x'
∫
∥x − 
x '∥
4  0
x '∥
j t−∥x − 
, x '
0
3
c

A t , x =
d x'
∫
∥x −x '∥
4
Relation de cause à effet !
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26
La méthode PEEC
The Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) Method
Limites: géométrie ...
Outil: INCA, FASTHENRY
Albert E. Ruehli (IBM)
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27
Rôle du câblage
La cellule de commutation
Lm : le plus simple modèle de câblage
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28
Rôle du câblage : paramètres de
commutation
entrées
IF : courant direct
VR : tension inverse
appliquées
Paramètres de commutation
IRM: courant inverse maximal
VRM: tension inverse maximale
tRR : temps de recouvrement
inverse
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29
Rôle de la tension appliquée, VR
Rôle du courant direct, IF
Rôle du câblage : IF et VR
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30
Rôle de l'inductance de maille, Lm
di/dt versus Lm
Rôle du câblage : IF et VR
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31
Rôle du câblage : conclusion
Compromis câblage
- fréquence
Systèmes compacts :
- haute fréquence
- CEM ?
- Thermique
- température
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32
Intégration des passifs
Source
Charge
Filtre
CEM
Lissage
Commutation
Filtre CEM
Filtre de sortie
1) isolation (Ec)
2) diélectrique (fort ε ) ou grande énergie
3) magnétique (fort µ) ou grande énergie
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33
isolants
Décharge partielle !
Courbe de Paschen (gaz)
V
V = f(p.d / T)
pd
T
Jean Louis AUGE / Olivier LESAINT (G2Elab)
– thèse Minh Tuan Do
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34
diélectrique
High-k dielectric

=
r
Condensateur plan
S
C=
h
Rigidité diélectrique, Ec
Matériau ferro-électrique
Température de Curie, Tc
Multicouches, Multi-tranchées ...
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35
diélectrique
 E 2c
 MAX =
2
Stockage d'énergie
= 0
ε0 = 8,854187×10-12F/m
matériau
κ
Ec (kV/cm)
3
ωMAX (mJ/cm )
air sec
Si02
1
5
30
80
0,14
0,01
~10
0,4
1,4
4,1
76
~35000
pyrex teflon
~4,8
2,1
BaTiO3 Diamant SiC
~8
9,7
4
6500
Electrochimique, supercondensateur, Ni-mh, Li-ion ...
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magnétique
=0 r
Perméabilité magnétique
ferromagnétisme
M
Ms

 M
  = H

B=0  H
Ms
Mr
Cycle d'hystéris
H
T
Tc
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Électrochimique
volant d'inertie
pneumatique
PAC
Nc
PMAX
(W/cm3)
~ 10
105 à
106
~ 10
30 à 1000
~ 10
~10
~1
> 106
< 3000
> 106
> 106
~3
~1
~10
~3
~3
super
condensateur
solution
ωMAX (J/cm3)
Self supra, SMES
Stockage d'énergie
Pas de solution miracle !
Cyclabilité, écobilan
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38
Fiabilité des assemblages
Superposition de couches
Isolants,
diélectriques,
magnétiques,
conducteur électrique
conducteur thermique
Cyclage thermo-elasto-plastique
Différence de CTE
3D (joint de dilatation)
Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org
39