Dynamic calorimetric methods for estimating power losses in power semiconductor devices
Méthodes calorimétriques dynamiques pour l’estimation des pertes dans les composants semi-conducteurs de puissance
Résumé
The estimation of power losses in semiconductor devices is necessary to evaluate the efficiency of static converters and to characterize the performance of components in order to design their cooling system.The work presented in this PhD manuscript focuses on new methods based on dynamic calorimetry to estimate the losses of power semiconductor devices and to obtain their evolution as a function of the junction temperature of the component. The first one is based on the notion of thermal impedance while the second one uses the temperature difference between two points in a metallic block on which the component is mounted. A generalization of these methods to a multi-chip component or several components is also presented.The thesis is structured in three equivalent chapters: presentation of the methods and analysis of the influencing factors; design of a device containing instrumentation adapted to temperature measurement, validation of the methods in conduction mode; and finally implementation of the experimental validations under normal operating conditions of the semiconductor devices.The application of these methods could also be considered for different types of semiconductor components, especially for wide band-gap components.
L’estimation des pertes des composants à semi-conducteurs est nécessaire pour évaluer le rendement des convertisseurs statiques et pour caractériser les performances des composants en vue de dimensionner leur système de refroidissement.Les travaux de thèse portent sur de nouvelles méthodes basées sur la calorimétrie dynamique permettant d’estimer les pertes du composant à semi-conducteur de puissance et d’obtenir leur évolution en fonction de la température de jonction du composant. La première est basée sur la notion d’impédance thermique tandis que la deuxième utilise la différence de température entre deux points à l’intérieur d’un bloc métallique sur lequel le composant est monté. Une généralisation de ces méthodes à un composant multi-puces ou à plusieurs composants est également présentée.Le mémoire de thèse est structuré en trois chapitres équivalents : présentation des méthodes et analyse des facteurs d'influence, conception d'un dispositif contenant une instrumentation adaptée à la mesure de la température, validation des méthodes en mode de conduction, et enfin mise en œuvre des validations expérimentales dans des conditions de fonctionnement normal du composant.L’application de ces méthodes pourraient également être envisagée pour différents types de composants à semi-conducteurs, en particulier les composants à grand gap.
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