Estimation de la température de jonction de semiconducteurs WBG à l'aide de paramètres électriques thermosensibles (TSEP)

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : CLIMAT, ENVIRONNEMENT ET ÉCONOMIE CIRCULAIRE, ÉNERGIES RENOUVELABLES, MOBILITÉ DURABLE et HYDROCARBURES RESPONSABLES.

L’engagement d’IFPEN en faveur d’un mix énergétique durable se traduit par des actions visant :

• à gagner en efficacité énergétique ;
• à réduire les émissions de CO2 et de polluants ;
• à améliorer l’empreinte environnementale de l’industrie et des transports ;

tout en répondant à la demande mondiale en mobilité, en énergie et en produits pour la chimie.

Dans cet objectif, IFPEN développe des solutions permettant, d’une part, d’utiliser des sources d’énergie alternatives et, d’autre part, d’améliorer les technologies existantes liées à l’exploitation des énergies fossiles.

Estimation de la température de jonction de semiconducteurs WBG à l'aide de paramètres électriques thermosensibles (TSEP)

Dans les applications d’électronique de puissance (EdP) actuelles, la connaissance de la température de jonction (Tj) des composants semiconducteurs est essentielle pour garantir leur fiabilité et leur durabilité. Cette température influence directement les performances (pertes) et la stabilité des dispositifs électroniques, affectant ainsi leur efficacité énergétique et leur capacité à opérer dans des conditions optimales. Estimer et surveiller la température de jonction au sein des semiconducteur permet de prendre des décisions sur la conception, la dissipation thermique, et sur la gestion de la puissance, contribuant ainsi à améliorer la fiabilité et la durée de vie des systèmes électriques.

Pour analyser le comportement thermique d’un convertisseur de puissance, il est en général nécessaire de déterminer les pertes des composants, et d’en déduire la température de jonction à partir d’un modèle thermique dynamique.

Par exemple, deux modèles sont très largement utilisés : le modèle Foster et le modèle Cauer, qui permettent de représenter les transferts de chaleur par circuits équivalents associant résistances et capacités thermiques.

De manière expérimentale, il est possible de mesurer la température de jonction à partir de capteurs de température tels que les thermocouples ou les sondes résistives de type CTN. Cependant, il est en général assez complexe de placer ce type de dispositif à proximité directe de la jonction et leur bande passante limitée peut être source d’erreur de mesure. D’autre méthodes, basées sur l’utilisation de capteurs optiques, permettent d’obtenir des cartographies de température à la surface des composants de puissance. Mais l’inconvénient majeur de toutes ces méthodes concerne le besoin d’accès à la jonction du semiconducteur, et donc nécessite une intrusion à l’intérieur des modules (ouverture de boîtier) ou des composants en boîtier discret.

C’est pourquoi nous proposons dans ce stage d’estimer la température de jonction par une mesure des paramètres électriques thermosensibles (TSEP) des composants de puissance, en particulier Wide Band Gap. Il s’agit d’une méthode de mesure thermique indirecte de la température de jonction peu coûteuse si les TSEP sont bien choisis. En général, il est préférable de choisir un TSEP qui ne dépend exclusivement que de la température de jonction, comme la tension de seuil v_TH ou la résistance r_DSON.

Les objectifs de ce stage consistent à :

• Etude bibliographique sur les méthodes de mesures thermiques indirectes par TSEP
• Choix d’un TSEP applicable aux composants SiC et GaN
• Validation par simulations d’un dispositif de mesure dynamique du TSEP et estimation de la Tj
• Elaboration d’un modèle thermique de la température de jonction
• Validation expérimentale (sur maquette existante).

Profil recherché :

Ecoles d’ingénieurs ou Master 2 avec de solides connaissances en génie électrique, électronique de puissance et contrôle des machines électriques.

Compétences techniques :

• Composants de l’électronique de puissance
• Modélisation électrique
• Simulations sous Matlab/Simulink (Simscape), LTSpice, etc…
• Compétences en conception électronique appréciées
• La connaissance des modélisations thermiques est un plus

Aptitudes :

• Envie d’innover
• Dynamisme et force de proposition
• Motivation pour la valorisation des résultats (rédaction d’articles scientifiques)
• Motivation pour la validation expérimentale
• Capacité à travailler en équipe

Mots-clefs : Electronique de puissance, TSEP, SiC, GaN, température de jonction, thermique

Durée et période du stage : 6 mois débutant entre mars et août 2025
Lieu du stage : Rueil-Malmaison / Solaize