This thesis presents the development of a double-side cooled 3.3 kV, 100 A SiC MOSFET phase-leg power module for heavy-duty traction applications. Parasitic extraction and thermal simulations of the module showed a parasitic inductance of 2.89 nH and junction temperature of 108.3 °C at a heat flux of 156 W/cm² under a typical water-cooling condition. Electric field simulations identified high electric field stress at the module's outer surface edges exposed to air, posing a risk for partial discharge. To mitigate this risk, a solution that involves covering the critical point in an epoxy was proposed, analyzed, and validated through partial discharge inception voltage tests. Steps for fabricating the module are presented. Static electrical characterization of the fabricated module showed an average on-resistance of 31 mΩ and an average leakage current of 356 nA at VDS of 3 kV, which are similar to those of the unpackaged devices. The module with a double-side cooling design achieved an exceptional power density of 116.6 kW/cm³, more than twice that of any single-side cooled 3.3 kV SiC module. This makes it highly suitable for next-generation electric transportation systems that require high power density and efficient thermal management, such as electric trucks, railways, and eVTOL aircraft. / Master of Science / This thesis presents the development of a highly efficient and compact power module designed for electric vehicles and other high power applications. By utilizing advanced silicon carbide technology and double-side cooling structure, the module achieves outstanding performance, making it ideal for heavy-duty uses such as electric trucks, railways, and eVTOL aircraft. The module operates at 3.3 kV and 100 A, with low electrical losses and excellent thermal management. Extensive simulations and testing demonstrated that the module significantly reduced unwanted electrical effects and maintained a stable temperature under high power conditions. An epoxy coating was applied to critical areas to prevent electrical discharge, enhancing the module's reliability. The fabrication process incorporated packaging techniques like silver-sintering for attaching the semiconductor chips and other components, resulting in strong and reliable connections. Static tests confirmed that the electrical performance of the packaged power module maintained consistently high efficiency compared with the bare chips. Overall, this double-side cooled power module offers more than twice the power density of traditional designs, paving the way for the development of future electric vehicle traction systems that require high power density and efficient cooling.

De nos jours, une gestion optimale de l'énergie électrique est devenue un enjeu majeur. La conversion de l'énergie entre une source et sa charge est réalisée par un élément central : le convertisseur statique utilisé aussi bien pour des faibles puissances (quelques Watts) que pour des très fortes (plusieurs MWatt). La brique élémentaire est la cellule de commutation constituée de semi-conducteurs de puissance (à commutation commandée ou spontanée) généralement réunis au sein d'un " module de puissance ". La nécessaire réduction des volumes dans certaines applications (comme les systèmes embarqués par exemple) ainsi que l'augmentation des calibres de tensions des nouveaux semi- conducteurs grands gaps auront comme conséquence directe d'augmenter les contraintes sur les systèmes d'isolation des convertisseurs. Une répartition contrôlée de ces contraintes dans le volume présente alors un intérêt pour maintenir la fiabilité du système d'isolation. Il est donc nécessaire d'effectuer une caractérisation la plus large possible de l'ensemble des matériaux isolants utilisés dans le packaging des dits " modules de puissance ", ainsi qu'une bonne compréhension de leurs mécanismes de défaillances. Le travail présenté ici consiste en l'étude d'une nouvelle stratégie de répartition du potentiel dans le volume appelée gradation de potentiel. L'isolation de volume développée est un assemblage multicouche constitué d'un matériau à conductivité contrôlée (Epoxy/Graphene) jouant le rôle de gradateur et d'une fine couche isolante (parylène) assurant la tenue en tension. Différents outils, tant théoriques (simulation) qu'expérimentaux, ont été ainsi utilisés pour aider au dimensionnent du système d'isolation électrique. La modélisation par la méthode des éléments finis (MEF) permet-elle de prédéterminer la répartition de la contrainte (potentiel et champ électrique) dans une structure de test prédéfini ou de décrire l'étude de l'influence de la conductivité du matériau gradateur et de l'épaisseur du film sur la répartition des équipotentielles. D'un point de vue expérimental le film sélectionné a été caractérisé pour des épaisseurs comprises entre 10 et 40 µm. Le matériau à conductivité contrôlée a été ensuite élaboré puis caractérisé pour différents taux de chargement. Après l'incorporation du système d'isolation dans différentes structures tests (substrats métallisés et structure double face), différentes méthodes permettant de caractériser le système d'isolation ont été utilisées qu'il s'agisse de mesures directes de la contrainte électrique par sonde à champ nul (potentiel de surface) ou indirectes par des mesures de décharges partielles. L'isolation multi-couches présente des améliorations dans la répartition du potentiel mais aussi des limites d'utilisation en fonction de la conductivité du matériau gradateur. Cette isolation doit donc être dimensionnée au plus près des caractéristiques d'utilisation et offre une approche intéressante pour le dimensionnement des modules de puissances double face. / Nowadays, an optimal management of the electrical energy becomes a key point in electric systems. The conversion of energy is realized by a main component: the power converter. It is used as well for low power (few Watts) as for very high power (MWatts). The elementary block of the converters, is the switching cell made up of semiconductor power devices. The trend to reduce both the volume and the weight in many applications (for example in embedded systems) and the increase of the rating voltage of the new wide band gap semiconductors will have for consequence an increase of the stresses on the electrical insulating systems of the power module . A controlled grading of these electrical constraints in the volume is highly interesting to ensure the reliability of the system. It is therefore necessary to perform a precise characterization of the insulated materials used in the packaging of the power modules, as well as to get a good understanding of their failures mechanisms. The works presented in this dissertation consists in the study of a new strategy for the field gradation in power modules. The proposed insulation is an assembly of multi-layers made up of a thick material of electrically controlled conductivity (Epoxy/Graphene nanocomposite) and of a thin insulating layer (Parylene films). Various tools were used (both theoretical and experimental) to help dimensioning of the Electrical Insulation System (EIS). The Finite Element Method (FEM) was used to simulate the equipotential and field distribution in the structure under study and to analyse on one hand, the influence of the changes in the conductivity values of the Epoxy/Graphene nanocomposite materials and, on the other hand, the impact of the parylene (PA) films thickness on the stress grading. From an experimental point of view, the PA films were characterized for different thicknesses ranging between 10 µm and 40 µm. The Epoxy/Graphene nanocomposites of controlled conductivity were manufactured and characterized (0 to 5 % wt) for various filler contents. The field grading effects were evaluated directly in different structures thanks to surface potential measurements and (indirectly) to partial discharges measurements. The proposed multilayer EIS exhibits some improvements regarding the stress grading but also some limits depending on the conductivity of the nanocomposite. Such an EIS will have to be dimensioned taking into account the rating voltage and could offer an interesting approach for the future design of the power modules.

L'autonomie est, à l'heure actuelle, un des points les plus bloquants des véhicules électriques. Une optimisation du rendement de la chaîne de conversion est donc un objectif primordial. La thèse s'inscrit donc dans un contexte d'efficacité énergétique et d'intégration en électronique de puissance. Il s'agira d'améliorer les rendements de conversion et la puissance massique à la fois par le choix de technologies adaptées et par la conception de structures de conversion optimisées. Dans un premier temps, nous présentons l’impact de l’évolution de la tension de batterie HT sur le choix des technologies de composants de puissance. Différentes architectures de conversion sont également présentées et l’accent est mis sur un convertisseur en particulier : L’onduleur. Puis, nous comparons les relevés expérimentaux à ceux qui peuvent sont fournis par des fabricants pour certains composants et dans certaines conditions de fonctionnement. Ces essais permettent également d’enrichir les données des fabricants. Enfin, nous comparerons l’impact de la montée en tension des batteries HT sur les performances de différentes structures d’onduleurs (2 et 3 niveaux), pour différentes technologies de composants semi-conducteurs de puissance et pour différents points de fonctionnement de la machine associée. / Currently, autonomy of electric vehicles is one of the most blocking points for developing such mean of transport. An optimization of the efficiency of the power train is thus a primordial objective. The thesis is part of a context of energy efficiency and integration in power electronics. This will improve conversion efficiencies and mass power both by the choice of appropriate technologies and design optimized conversion structures. First, we present the impact of the evolution of the HT battery voltage on the choice of power component technologies. Different conversion architectures are also presented and the focus is on a particular converter: The inverter. Then, we compare the experimental records to those that can be supplied by manufacturers for certain components and under certain operating conditions. These tests also make it possible to enrich the data of the manufacturers. Finally, we will compare the impact of the voltage rise of the HT batteries on the performances of various inverter structures (2 and 3 levels), for different technologies of semiconductor power components and for different operating points of the machine associated.

Dans de nombreux domaines, tels que l’industrie des transports ou bien des infrastructures, la tendance est à l’introduction toujours plus importante d’équipements électriques. De ce fait, les industriels sont de plus en plus confrontés à la nécessité de fournir des dispositifs robustes et fiables avec un minimum de maintenance. Les composants électroniques, tels que les transistors IGBTs ou MOSFETs et les diodes rassemblés dans des modules de puissance, sont au cœur de la conversion d'énergie électrique. En conséquence, ils sont soumis en opération à de fortes contraintes environnementales et fonctionnelles (température, humidité…). L’ensemble de ces contraintes a un impact sur la durée de vie des composants, et donc sur la fiabilité des dispositifs. D’un point de vue économique, le remplacement d’un équipement défectueux est moins pénalisant qu’une défaillance brutale du système. Ainsi, l’utilisation d’outils de diagnostic est nécessaire pour prédire la durée de vie restante des dispositifs en opération, et mettre en place une maintenance adaptée et efficace.Pour déterminer la durée de vie restante des modules de puissance en opération, des modèles de durée de vie sont utilisés. La plupart de ces modèles sont établis soit de manière empirique, soit de manière physique, soit de manière statistique. Les modèles empiriques sont les plus courants, car leur réalisation et implémentation sont maintenant bien connues. Ils se basent sur des résultats issus de tests de cyclage accélérés qui reproduisent les contraintes endurées par le module de puissance sous des conditions "accélérées" de fonctionnement. Une extrapolation est ensuite nécessaire pour obtenir l’état de santé du dispositif dans des conditions normales de fonctionnement. Le principal inconvénient de ces modèles réside dans le manque de description des mécanismes physiques responsables de l’endommagement. Ce manque peut mener potentiellement à des erreurs, notamment lors de l’extrapolation. C’est pourquoi les modèles basés sur la physique connaissent un intérêt grandissant.Dans cette thèse, deux modèles de durée de vie basés sur la physique et appliqués aux modules de puissance IGBTs sont proposés et comparés. La première approche est basée sur les déformations induites à l’intérieur de l’assemblage du module lorsque soumis à des contraintes thermiques. Dans ce cas, la dégradation est décrite via la quantification des déformations pour un stress thermique donné. Dans la seconde approche, le modèle de durée de vie est basé directement sur l’endommagement via l’établissement d’un modèle de dégradation. La comparaison des deux modèles met en lumière les défauts et qualités de chacun. D’une manière plus générale, l’établissement et la comparaison de ces modèles s’inscrit dans une démarche de développement d’outils de diagnostic afin de prédire la durée de vie restante des modules de puissance en opération. / The domain of power electronics reliability has become an important center of interest with the recent massive system electrification. The manufacturers are more and more confronted to the necessity of producing reliable devices with optimized maintenance. Electronics components, such as IGBTs, diodes and MOSFETs assembled in power modules, are at the center of the systems conversion, and as a consequence, are subjected to high environmental and functional stresses (ambient temperature, vibrations…). All these factors have a strong impact on the components lifetime and thus on the devices reliability. Economically, scheduling a maintenance with a system replacement is less detrimental than a brutal failure of the system. As a consequence, the use of lifetime prognostic tools is necessary. The problematic consists in the health state prediction of power modules in functioning to be able to schedule a maintenance before the failure of the equipment.To be able to determine the remaining useful lifetime of power modules in functioning, lifetime models are used. These models can either be empirical, physical or statistical. The empirical models are the most common ones, because of their easy establishment and implementation. They are based on results from accelerated power cycling tests, which reproduce the stresses endured by the power modules in severe conditions. An extrapolation is then needed to obtain the power module health state in normal functioning conditions. The main drawback of these models is the lack of description of the physical mechanisms leading to damage, resulting potentially in errors in particular during extrapolation. That’s the reason why physical models start to draw more attention.In the thesis, two physical lifetime models of IGBT power modules are proposed. The first approach is based on deformation induced inside the device assembly in operation. The degradation is in this case described by the quantification of deformation related to thermal stresses. In the second approach, the lifetime model is based directly on damage through the establishment of a degradation model. These two lifetime models are finally compared to show the benefits and disadvantages of each. More generally, the establishment and comparison of these models is part of an approach to develop diagnostic tools so that the remaining useful lifetime of power modules can be predicted in operation.

This thesis studies the options of using PCB embedding bare die power MOSFET and new packaging of MOSFET to increase the power density in a PCB. This is to decrease the winding losses in an isolated DC/DC converter which, according to "Flex Power Modules", can be done by improving the interleaving between the layers of the transformer and/or decreasing the AC loop. To test the MOSFET packaging two layout are made from a reference PCB, one using embedded MOSFET and the other using the new packaging. The leakage induction and winding losses are simulated and if they are lower compared to the reference PCB prototypes are manufactured. The simulated result is that PCB embedded MOSFET decrease the leakage induction but the winding loss is higher. With the new packaging the leakage induction is higher and the winding loss has linear characteristics. Only the PCB with the new MOSFET packaging is made because the MOSFET die gate pad is too small for the PCB manufacturer to make a via connection to it. The PCB is tested that it operates as a DC/DC converter with a 40-60 V input and a 12 V output. The PCB is put on a test board in a wind-tunnel to test its characteristics under different wind speeds, input voltage and loads. The result is that the PCB has a higher efficiency than the reference PCB but it has worse thermal resistance. Further development of the design needs to be made to improve the thermal resistance. Using new packaging is a way to continue the development of power converter with lower efficiency but embedding MOSFET needs a less complicated manufacturing process before there is any widespread usage.

Currently, wide bandgap semiconductor devices feature increased efficiency, higher current handling capabilities, and higher reverse blocking voltages than silicon devices while recent fabrication advances have them drawing near to the marketplace. However these new semiconductors are in need of new packaging that will allow for their application in several important uses including hybrid electrical vehicles, new and existing energy sources, and increased efficiency in multiple new and existing technologies. Also, current power module designs for silicon devices are rife with problems that must be enhanced to improve reliability. This thesis introduces new packaging that is thermally resilient and has reduced mechanical stress from temperature rise that also provides increased circuit lifetime and greater reliability for continued use to 300°C which is within operation ratings of these new semiconductors. The new module is also without problematic wirebonds that lead to a majority of traditional module failures which also introduce parasitic inductance and increase thermal resistance. Resultantly, the module also features a severely reduced form factor in mass and volume.

Au sein d'un convertisseur la défaillance d'un composant de puissance est un événement critique tant par le risque d'explosion du boitier et sa propagation au sein du système (forte énergie stockée dans l'alimentation) que par l'interruption de service qui en découle (systèmes embarqués, systèmes de production en flux tendu). Ce mémoire de thèse propose un ensemble de solutions nouvelles portant sur la problématique de l'isolement ultime de défauts "derniers secours" d'une part, et sur la connexion "automatique" et à faible "coût" d'un circuit en secours. L'objectif de cette approche globale est de concilier "sécurité électrique absolue" et "continuité de service" pour les systèmes de conversion sensibles devant être intégrés au coeur des applications critiques. Le premier chapitre et son annexe permettent de rappeler les causes et les conséquences des défauts internes au sein d'une structure de base d'onduleur à deux niveaux de tension, laquelle fait l'objet de nombreuses simulations de modes dégradés en configuration variateur de vitesse sur machine synchrone. De cette analyse il ressort qu'une structure d'isolement symétrique à deux voies couplées, placées sur les pôles du bus DC, à déclenchement spontané (fusible) et/ou commande (rupteur), est à même de sécuriser toutes les mailles du circuit, de façon modulaire et non intrusive. / In all these traditional industries, or in more sensitive sectors and high technology, it appears that the safe operation of power systems becomes a critical and strategic area essential. In the area of application that focuses, design dependability and now rests primarily on an approach to reliability of components used, the use of close protection, monitoring alarms and management stop / reset / recovery. In our view, this approach is incomplete quickly when electrical safety and absolute continuity of a permanent mission should be carried out simultaneously in the presence of an internal failure of sensitive functions for low and medium power (eg, orders and bodies actuation of vehicles) or highly critical (nuclear). In this area, topologies and failure modes are at the heart of the problem. In this paper, we will focus primarily on the inverters and choppers structures at two levels of voltage (single-cell arm, <1kV), with simple configuration and multiphase parallel, although the concepts are presented, as examples, partially extrapolated to the structures of three voltage levels (arms multicellular) and rectifier (low-frequency phase control and high-frequency switching PWM). We will highlight the need to limit the intensity of these failures and to electrically isolate the defective cell and symmetrically of this inverter by multipole devices, passive or spontaneous breaking mixed cut ordered in the form of fuses integrated and distributed of multi-channel passive isolators, to imagine and develop. We will show that this process of isolation of the last backup is needed to connect, form series or parallel to the defective cell, a cell rescue in passive redundancy. The cell structure backup connection pooled by spontaneous (automatic) is especially promising as detailed in our eyes because of its simplicity and its integrability. Next, we present the isolation technologies fuse (not included, miniatures, CMS and multilayer chip fuse), their characteristics, their current limitations and operating in a switching cell test. A methodology and design of symmetrical two-way fuse (dual-fuse) on FR4 PCB - Copper will be presented in Comsol ™ and evaluated initially in static thermal IR. A passive two-way switch, relatively original material for integrating energy embedded in FR4 substrate, will be presented and fully dimensioned plans on electrical, thermal and mechanical also using finite element simulations in Comsol ™. Another aspect of exploratory analysis, mainly experimental, or to characterize the failure modes of bullets and casings ultimate power compared between the technologies of encapsulation by epoxy resin (standard discrete case) and a silicone gel (module) is provided under conditions of stress controlled and reproducible. This step is necessary to characterize the resistive mode of a chip based on faulty stresses and stability over time of the residual strength according to the nature of the encapsulant, ie the very sustainability of this failure mode. A mixed-encapsulant resin - gel will be presented and characterized, providing an excellent compromise for medium power applications. Positive results and little known today, will allow us to exploit in the next chapter, this property of stable ohmic mode of the chip failed in a structure to aid automated connection series interesting. In the end, we will detail the demonstrator prototype and introduced to the context with which we will validate the isolation structures and prototypes fuses the property of stable ohmic mode highlighted in the aspect of technological analysis of selected devices. These results allow us to refine the solutions adopted for specifications and guide future management strategy of defects whether internal or external to the topology. Supervisor digital device - sensor for the detection and reconfiguration of internal control orders will be assessed.

L’avion plus électrique demande des modules de puissances de plus en plus performants dans les domaines de la fiabilité et de la maîtrise de la durée de vie restante. Le remplacement des systèmes hydrauliques et pneumatiques par des actionneurs électriques et leurs convertisseurs associés est, aujourd’hui, un moyen efficace de réduire les coûts de maintenance et la consommation de carburant. L’ajout de composantes électriques est également un bon moyen d’augmenter la fiabilité des systèmes. La fiabilité est toujours étudiée à partir de contraintes cycliques accélérées. La tendance actuelle est d’embarquer des fonctions de suivi de l’état de santé dans les modules de puissance pour permettre la prédiction de la durée de vie restante. Cette approche implique des modifications du circuit afin de mettre en place des capteurs et est souvent dédiée à un mode de défaillance en particulier. Cette thèse propose une approche par apprentissage du suivi de l’état de santé de modules de puissance à base de MOSFET en carbure de silicium. Une large étude bibliographique a permis de créer et de réaliser un banc de test instrumenté permettant de mettre en œuvre des défaillances attendues dans les modules de puissance mais aussi d’enregistrer un grand nombre de paramètres électriques au cours de la vie du module. Ces paramètres montrent une évolution au cours du vieillissement du module en fonction des modes de défaillances. Un modèle de réseaux neuronaux s’appuie sur la dérive de ces paramètres pour établir le pronostic de durée de vie restante d’un module de puissance à chaque instant de son utilisation normale / More electrical aircraft requires power modules of higher performances, especially in terms of reliability with a control of lifetime. The replacement of hydraulic and pneumatic systems by electric actuators and their associated converters is the present trend to reduce maintenance cost and fuel consumption. Adding more electric components is also thought as a good way to increase reliability in systems. Reliability is still analysed from accelerated stress cycles. A large volume of data must be obtained in various conditions to assert a pertinent extrapolation of remaining lifetime during operation. A trend is to embed some condition monitoring functions in power modules to help predict the remaining lifetime. This approach is the field of hardware developments with respect to sensors and decorrelation methods but mainly dedicated to one particular failure. This thesis presents a learning approach of silicon carbide MOSFET based power modules condition monitoring. A large literature study has led to the elaboration of a test plan and an instrumented test bench. This test bench allows an accelerated lifespan of power module and an on-line recording of several electrical parameters. These parameters shows a drift according to the power module ageing. A neural network model based on these parameters drifts has been constructed to estimate the remaining useful lifetime of a power module in normal operation

The aim of this diploma thesis is to continue in prototype realization and a final proposition of three-phase frequency transformer pilot projected in scope of my bachelor work. This transformer is outlined for a small unsynchronized engine to 100 watt output and is designed to supply the fan motor. This suggestion was optimalized from the standpoint of bargain low price and technical feasibility. Powerful part of transformer is solved with help of circuit FSB50450 which is fed from compact source MYRRA 47155. Steering system is guaranteed with circuit MC3PHAC. This device is possible to use in less demanding applications where it was resisted by high expensive price of common frequency transformers.

Cette thèse vise à réaliser des développements théoriques et numériques portant sur le comportement en cyclage thermomécanique de nouveaux alliages de brasure. L’objectif est de proposer une méthodologie de simulation de la fatigue des assemblages électroniques intégrant ce type de brasures. De nombreux modèles semi-empiriques de fatigue existent déjà mais ont montré leurs limites pour une prédiction suffisamment précise de la fiabilité. Il existe donc un besoin d’enrichir les approches existantes par une description des mécanismes de défaillance à l’échelle mésoscopique, en prenant en compte la microstructure fine de l’alliage d’étain. Une formulation décrivant la plasticité cristalline de l’étain et l’endommagement aux joints de grains a donc été développée et intégrée dans un code de calcul pour simuler les mécanismes de déformation dans le joint de brasure. / This thesis aims to carry out theoretical and numerical developments on the thermo-mechanical cyclic behavior of new solder alloys. The objective is to propose a methodology for modeling the fatigue of electronic packages including this type of solders. Several semi-empirical fatigue models already exist, but have shown their limitations for an accurate sufficiently prediction of reliability. Therefore, it requires to enrich the existing approaches by a description of failure mechanisms in the mesoscopic scale, taking into account the fine microstructure of the alloy of tin. A formulation describing the crystal plasticity of tin and the damage of grain boundaries has therefore been developed and integrated in the finite element code for simulating the fracture mechanisms of solder joint.