Conception de systèmes d’isolation haute tension en électronique de puissance : prise en compte de nouveaux matériaux et structures

La soutenance de thèse de Tianbo ZHOU, intitulée « Conception de systèmes d’isolation haute tension en Électronique de Puissance : prise en compte de nouveaux matériaux et structures« , aura lieu le 11 juillet 2022, à 9h30 dans l’Amphithéâtre MAXWELL du site Université Paul Sabatier.

Jury :

Pierre BIDAN, Université Toulouse III – Paul Sabatier, Direction de thèse

Stéphane DUCHESNE, Université d’Artois, Rapporteur

Alain SYLVESTRE, Université de Grenoble Alpes, Rapporteur

Séverine LE ROY, Chargée de recherche CNRS, LAPLACE, Examinatrice

Lionel LAUDEBAT, INU Champollion, LAPLACE, Invité

Marie-Laure LOCATELLI, Chargée de recherche CNRS, LAPLACE, Invitée

Résumé :

Les matériaux diélectriques sont utilisés dans l’isolation des équipements électriques, dont la fiabilité et la durée de vie dépendent de leurs propriétés. Il est donc important de pouvoir modéliser ces propriétés afin de simuler le comportement de ces matériaux lors de la conception du dispositif, notamment leur impact sur la distribution du champ électrique et de la température.
Le travail de thèse a d’abord consisté en l’examen des équations, des modèles et des modes de résolution généralement mis en œuvre dans les outils de conception commerciaux utilisés pour la simulation numérique d’un système d’isolation. Les principales règles à suivre sont rappelées selon les cas d’étude. Les limites des logiciels actuels sont décrites et des améliorations sont proposées en introduisant des compléments de modélisation aptes à prendre en compte les phénomènes de relaxation diélectrique et certaines propriétés non linéaires.
Le travail a contribué ensuite à l’étude de l’amélioration du système d’isolation d’un module de l’électronique de puissance pour la montée en haute tension. Dans un module, le point triple entre le substrat céramique, le gel et la métallisation a été identifié comme l’endroit où se concentrent les contraintes électriques. L’ajout d’une couche semi-résistive entre les électrodes peut être une solution pour modifier la distribution du champ électrique au niveau de ce point. Des simulations dans le domaine temporel ont été réalisées à l’aide de l’outil commercial COMSOL Multiphysics® afin d’étudier la distribution du champ électrique, ainsi que la distribution de la densité de courant, pour différents jeux de permittivité et de conductivité de la couche (linéaire ou non linéaire par rapport au champ) sous une excitation en échelon de tension, pour le cas (très peu étudié) de fronts très élevés, tels qu’induits par les nouveaux composants de puissance en carbure de silicium. Plus le front d’excitation est raide et plus il faut augmenter la conductivité et la permittivité pour s’assurer que le système soit protégé dans tous les régimes de fonctionnement (régimes transitoire et permanent). Ceci peut entraîner des courants transitoires et de fuite élevés, et des pertes importantes. La résolution partielle de ce problème par l’introduction d’une couche à conductivité non linéaire en champ électrique a conduit à définir une démarche de conception pour l’optimisation du système d’isolation d’un module.
Le second point du travail est la prise en compte des phénomènes de relaxation, fondamentaux dans les matériaux diélectriques, mais délicats à traiter dans le domaine temporel en régime quelconque. Le modèle simple de Debye, ne permettant de considérer qu’un seul mode de relaxation, est le plus souvent insuffisant dans les matériaux solides qui peuvent comporter plusieurs modes superposés. La distribution sous-jacente de temps de relaxation est complexe à modéliser dans le domaine temporel : la Représentation Diffusive (RD) est un outil mathématique permettant à la fois cette modélisation et l’adaptation du modèle par identification paramétrique au moyen de mesures fréquentielles ou temporelles sur le dispositif ou des échantillons. Les modèles obtenus sont introduits dans COMSOL pour simuler le comportement de matériaux diélectriques au sein de n’importe quelle géométrie et sous excitation quelconque, pas uniquement harmonique. En outre, sous certaines hypothèses, il est également possible de simuler le comportement à haute température (avec une relaxation plus prononcée) et les matériaux à conductivité non linéaire.
En conclusion, la prise en compte dans le domaine temporel des phénomènes de relaxation et des propriétés non linéaires au sein des matériaux diélectriques permettra d’optimiser le choix des géométries et des matériaux dans la phase de conception, au moyen d’outils de simulation numérique préalablement adaptés.