Dans cette recherche, l'auteur met l'accent à la fois sur une optimisation de la conception pour une (MV-MMC: Medium Voltage Modular Multilevel Converter) utiliser comme un DC/AC ou AC/DC et à deuxième fois sur la grille pour les modules IGBT qui sont utilisés dans ce type d'application. Par exemple, les convertisseurs de MMC sont utilisés dans les systèmes d'alimentation des navires électriques avec les buses de moyenne tension de courant continu (en anglais: medium-voltage direct current (MVDC)). Pour une telle application, selon le document IEEE, la tension du bus DC peut être jusqu'à 35kV. Par conséquent, les systèmes de commande rapprochée pour piloter le grille des modules IGBT pour les applications MVDC-MMC sont des principaux problèmes en termes d'architectures et des besoins de haute isolation galvanique. Ainsi, cette thèse fournit des solutions pour répondre à ces problèmes. L'étude inclut également les études d'un matériau diélectrique qui est utilisé comme matériau d'isolation. Les résultats des essais expérimentaux d'un matériau diélectrique proposé pour différentes épaisseurs des couches pour maintenir des niveaux de tension d'isolation sont également fournis pour valider clairement cette étude. En effet, un convertisseur MMC compose d'un certain nombre de cellules de conversion connectés en série. Une cellule (sous-module de convertisseur) est classiquement constitué de deux modules IGBT. Sur la base de la topologie de la cellule, l'architecture d'un pilote de grille contestée pour les modules de puissance à semi-conducteurs est proposée et comparée à celle classique en termes de besoins des niveaux de tension d'isolation galvanique, la taille de la cellule de convertisseur, etc. / In this research, the author focuses on both a design optimization for a Medium Voltage Modular Multilevel Converter (MV-MMC) use as a DC/AC or AC/DC converter and gate drivers systems for IGBT modules which are used in this kind of application. For example, the MMC converters are used in Medium-Voltage Direct Current (MVDC) electrical ship power systems. For such application, according to IEEE document, the DC bus voltage can be up to 35kV. Hence, gate drivers’ systems for IGBT modules for MVDC-MMC applications are major concerns in terms of architectures and insulation voltage capabilities. Thus, this dissertation provides solutions to answer these problems. The study also includes the studies of a dielectric material which is used as insulation material. The results of experimental tests of a proposed dielectric material for different layers thicknesses to sustain different insulation voltage levels are also provided to clearly validate this study. Actually, a MMC converter composes of a number of converter cells connected in series. One cell (converter’s sub-module) is classically composed of two IGBT modules. Based on the cell topology, a challenged gate driver’s architecture for power semiconductor modules is proposed and compared to the classical one in terms of high and low galvanic insulation voltage levels’ requirements, converter’s cell size, etc.

La tendance actuelle est d’intégrer des modules de puissance de plus en plus puissants dans des volumes de plus en plus réduits. Cela pose des problèmes, notamment en termes de fiabilité, car lors de leurs cycles de fonctionnement, les interrupteurs à semi-conducteurs et leur environnement immédiat sont soumis à des contraintes électro-thermiques plus sévères. L’augmentation de la fiabilité des modules de puissance passe par la connaissance précise de la température locale, même si elle ne peut être mesurée en certains points qui seraient pertinents. L’objectif principal de cette thèse est de reconstruire des grandeurs non accessibles à la mesure en utilisant des observateurs de fonctionnelle linéaire, qui permettent d’estimer la température en n’importe quel endroit à l’aide des mesures fournies à partir de capteurs thermiques situés en quelques points précis. L’utilisation de cet observateur permet de réduire la dimension du problème considéré. Dans le contexte multi-physique, nous avons développé des méthodologies et des algorithmes permettant la surveillance du comportement électro-thermique des modules d’électronique de puissance. De façon à obtenir des algorithmes d’observation, qui pourraient être mis en oeuvre sur une cible embarquée en temps réel comme un processeur de signaux numériques, nous avons proposé la conception d’un observateur de fonctionnelle linéaire en temps discret de taille réduite. En conséquence, il est nécessaire d’en réduire la taille par rapport au système initial issu du modèle, afin de limiter la complexité du calcul. L’originalité de ces travaux consiste à proposer des méthodes de conception simples des observateurs de fonctionnelle linéaire d’ordre minimal pour des systèmes complexes de grande taille. Notons que dans le cas d’un module d’électronique de puissance, certaines entrées peuvent être mal connues telles que la puissance thermique extraite par le système de refroidissement, ou celle injectée par les éléments annexes du module comme les pistes ou les fils de bonding. Ainsi, une attention toute particulière a été donnée aux observateurs de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues. Un observateur de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues permet de s’affranchir de cette méconnaissance en traitant ces entrées comme des perturbations non mesurées. Notons que nous avons choisi de présenter des résultats expérimentaux afin d’indiquer la faisabilité pratique des méthodes présentées. / The current trend of integrating powerful power modules into increasingly smaller volumes. This volume leads to new problems, especially in terms of reliability : Indeed, during their operating cycles, the semiconductor switches and their surrounding environment become subject to harshful electrothermal stresses. Thus, increase of reliability of power modules induces the precise knowledge of the local temperature, even if it can not be measured at any location. The main objective of this thesis is to estimate a physical variables in a specific non measured location, using linear functional observers allowing to estimate the temperature at any point by means of measurements provided from thermal sensors located at a few precise points. The use of this observer reduce the dimension of the considered problem. In the multi-physics context, methodologies and algorithms have been developed to allow the monitoring of electrothermal behavior power electronics modules. In order to obtain observation algorithms directly, which could be implemented on a real-time embedded target such as a digital signal processor, the application of a linear observer in the discrete time framework is proposed. Consequently, it is necessary to reduce the size compared to the initial system resulting from the model, in order to limit the calculation complexity. The originality of this work consists in proposing simple design methods for minimal order linear functional observers for large complex systems. Special attention has been given to unknown input linear functional observers. Note that in case of a power electronics module, some inputs may be poorly known such as the thermal power extracted by the cooling system, or that injected by the ancillary elements of the module as chips or bonding wire. An unknown input linear functional observer allows to overcome this lack of knowledge by treating these inputs as unknown data. Note that we chose to present experimental results so as to demonstrate the practical feasibility of the proposed methods.

Miniaturizing circuit size and increasing power density are the latest trends in modern power electronics development. In order to meet the requirements of higher frequency and higher power density in power electronics applications, planar interconnections are utilized to achieve a higher integration level. Power switching devices, passive power components, and EMI (Electromagnetic Interference) filters can all be integrated into planar power modules by using planar metallization, which is a technology involving electrical, mechanical, material, and thermal issues. By processing high dielectric materials, magnetic materials, or silicon chips using compatible manufacturing procedures, and by carefully designing structures and interconnections, we can realize the conventional discrete inductors, capacitors, and switch circuits with planar modules. Compared with conventional discrete components, the integrated planar modules have several advantages including lower profiles, better form factors, and less labor-intensive processing steps. In addition, planar interconnections reduce the wire bond inductive and resistive parasitic parameters, especially for high frequency applications. However, planar integration technology is a packaging approach with a large contact area between different materials. This may result in unknown failure mechanisms in power applications. Extensive research has already been done to study the performance, processing, and reliability of the planar interconnects in thin film structures. The thickness of the thin films used in integrated circuits (IC) or microelectronics applications ranges from the magnitude of nanometers to that of micrometers. In this work, we are interested in adopting planar interconnections to Integrated Power Electronics Modules (IPEM). In Integrated Power Electronics Modules (IPEMs), copper traces, especially bus traces, need to conduct current ranging from a few amps to tens of amps. One of the major differences between IC and IPEM is that the metal layer in IPEMs (normally >75µm) is much thicker than that of the thin films in IC (normally <1µm). The other major difference, which is also a feature of IPEM, is that the planar metallization is deposited on different brittle substrates. In active IPEM, switching devices are in a bare die form with no encapsulation. The copper deposition is on top of the silicon chips and the insulation polyimide layer. One of the key elements for passive IPEM and the EMI IPEM is the integrated inductor-capacitor (LC) module, which realizes equivalent inductors and capacitors in one single module. The deposition processes for silicon substrates and ceramic substrates are compatible and both the silicon and ceramic materials are brittle. Under high current and high temperature conditions, these copper depositions on brittle materials will cause detrimental failure spots. Over the last few years, the design, manufacture, optimization, and testing of the IPEMs has been developed and well documented. Up to this time , the research on failure mechanisms of conventional integrated power modules has led to the understanding of failures centered on wire bond or solder layer. However, investigation on the reliability and failure modes of IPEM is lacking, particularly that which uses metallization on brittle substrates for high current operations. In this study, we conduct experiments to measure and calculate the residual stresses induced during the process. We also, theoretically model and simulate the thermo-mechanical stresses caused by the mismatch of thermal expansion coefficients between different materials in the integrated power modules. In order to verify the simulation results, the integrated power modules are manufactured and subjected to the lifetime tests, in which both power cycling and temperature cycling tests are carried out. The failure mode analysis indicates that there are different failure modes for copper films under tensile or compressive stresses. The failure detection process verifies that delamination and silicon cracks happen to copper films due to compressive and tensile stresses respectively. This study confirms that the high stresses between the metallization and the silicon are the failure drivers in integrated power electronics modules.. We also discuss the driving forces behind several different failure modes. Further understanding of thesefailure mechanisms enables the failure modes to be engineered for safer electrical operation of IPEM modules and helps to enhance the reliability of system-level operation. It is also the basis to improve the design and to optimize the process parameters so that IPEM modules can have a high resistance to recognized failures. / Ph. D.

Dans le domaine automobile, les modules électroniques de puissance des produits mécatroniques voient leur puissance sans cesse s'accroître, tout en étant confinés dans des volumes de plus en plus réduits. Au cours de leur fonctionnement, les composants semi-conducteurs et leur assemblage subissent ainsi des contraintes électro-thermo-mécaniques sévères, susceptibles d'entraîner leur destruction et de provoquer la défaillance du produit. L'étude de la fiabilité et le calcul de la durée de vie de tels produits dépendent des températures de jonction calculées au niveau des puces des composants de puissances. De surcroît, le contexte d'applications embarquées requiert de maîtriser, outre les paramètres électriques et mécaniques, les paramètres thermiques tels que les températures de jonctions et les puissances dissipées au niveau des composants, qu'il est nécessaire de réguler et contrôler en temps réel afin d'assurer le bon fonctionnement du produit. L'objectif de cette thèse est ainsi de proposer une méthode d'identification de modèles réduits dans le but d'estimer le comportement thermique des modules électroniques de puissance, en se fondant uniquement sur les données d'entrées et les résultats issus d'une simulation numérique d'un modèle détaillé du système étudié. Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'identification, nommée « Kernel Identification Method », est développée. Cette méthode a été validée sur une application industrielle traitant d'un problème thermique couplé solide/fluide dont le comportement est essentiellement régi par de la convection forcée. Une étude exploratoire portant sur l'identification de problèmes non linéaires où la convection naturelle joue le rôle dominant est ensuite proposée. A cet effet, deux méthodes d’identification non-paramétrique sont proposées : (i) une première méthode basée sur l’extension de la méthode Kernel Identification Method ; et (ii) une deuxième méthode basée sur la variante dite « Unscented » du filtre de Kalman. / In automotive applications, the thermal dissipation of power electronics modules in mechatronic products is constantly increasing, whereas these products are confined in increasingly reduced volumes. During their operation, the semiconductor components and their environment are then submitted to severe electro-thermo-mechanical stresses that could cause their damage and lead to the product failure. The reliability and lifetime prevision of such products depend on the temperature junction located at the chip of power components. Furthermore, in order to ensure the safe operation of embedded applications, it is essential to perform a real-time control of thermal parameters such as the junction temperatures and power dissipated on the power components, in addition to the electrical and mechanical parameters. The objective of this thesis is to develop an identification method aimed at producing reduced thermal models to estimate the thermal behaviour of power electronic modules. Designed in a non-intrusive framework, this method post-processes the input data and the results produced by the numerical simulation of a detailed of the system under study. In this thesis, a new identification method, called "Kernel Identification Method" is developed. It has been validated on an industrial application dealing with a thermally coupled solid / fluid problem mainly governed by forced convection. An exploratory study of nonlinear problems identification where the natural convection plays the dominant role is then proposed. To this end, two identification methods of nonparametric nature are proposed: (i) a method based on the extension of the Kernel Identification Method; and (ii) a second method based on the "unscented" variant of the Kalman filter.