Modélisation des couplages électrothermo

N° d’ordre : 2250 Année 2005
THESE
Présentée
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Spécialité : Génie Electrique
Par
Hervé FERAL
Ingénieur ENSEEIHT – DEA Génie électrique
Modélisation des couplages électro-
thermo-fluidiques des composants en
boîtier press-pack.
Application à l'Integrated Gate
Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA.
Soutenue le 22 Septembre 2005 devant le jury composé de
MM. J. M. DORKEL Président
Ch. SCHAEFFER Rapporteur
Z. KHATIR Rapporteur
M. ROSSINELLI Invité
Ph. LADOUX
F. RICHARDEAU
J. P. FRADIN

Avant-propos
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration de
recherche entre le groupe Convertisseurs Statiques du LEEI (INPT-ENSEEIHT-CNRS), la
société EPSILON INGENIERIE et la division ABB semi-conducteurs.
Mes premiers remerciements iront à Monsieur B. DESAUNETTES, président d’EPSILON
INGENIERIE, pour m’avoir accueilli dans sa société et financé ma thèse et Monsieur Y.
CHERON pour m’avoir accueilli au sein du LEEI. Je n’oublie pas Monsieur E. CARROLL
sans qui la collaboration avec ABB semi-conducteurs n’aurait pas été possible.
Je tiens à remercier :
¾ M. J. M. DORKEL, Professeur à l’INSA TOULOUSE, pour avoir accepté la
présidence du jury de thèse.
¾ M. Ch. SCHAEFFER, Professeur à l’INP Grenoble, pour avoir accepté la fonction de
rapporteur de mes travaux.
¾ M. Z. KHATIR, Chargé de recherche à l’INRETS, pour avoir accepté la fonction de
rapporteur de mes travaux.
¾ M. Ph. LADOUX, Professeur à l’ENSEEIHT et M. F. RICHARDEAU, Chargé de
recherche au CNRS, pour avoir participé à l’encadrement de mes travaux de
recherche.
¾ M. J. P. FRADIN, directeur des activités aéronautiques et terrestre chez EPSILON
INGENIERIE, pour avoir encadré mes travaux de recherche.
¾ M. J. WALDMEYER, docteur ingénieur chez ABB semi-conducteurs, d’avoir suivi
avec intérêt mes travaux.
J’ajoute à ces personnes, Monsieur J. M. BLAQUIERE pour son aide lors des campagnes de
mesures au LEEI et Monsieur P. KERN pour son aide lors des campagnes de mesures sur le
banc d’identification d’impédances thermiques chez ABB semi-conducteur.
Je remercie également tout le personnel d’EPSILON INGENIERIE et du LEEI que j’ai
côtoyé durant ma thèse.
Mes dernières pensées iront à ma famille et mes amis.

Résumé
La température est un paramètre fondamental pour la bonne utilisation des composants semi-
conducteurs. 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.
Mots clefs
¾ IGCT ¾ Electro-thermo-fluidique
¾ Simulation Thermique ¾ Contact thermique
¾ Modélisation thermique ¾ Mesures de température
¾ Profil de mission ¾ Four à arc