Le fort développement actuel des systèmes électroniques embarqués nous conduit à relever le défi de leur fiabilisation, ceci d’autant plus que des organes de sécurité sont souvent concernés et que ces systèmes opèrent dans des conditions environnementales difficiles avec une exigence de réduction de coût drastique. Ce qui caractérise le mieux l’évolution récente de ces systèmes électroniques embarqués c’est une forte intégration qui conduit à réduire leur encombrement et leur poids tout en augmentant la puissance électrique convertie. Il en résulte automatiquement une augmentation de la densité de puissance dissipée et l’étude de leur comportement électrothermique prend, dans ces conditions, une importance fondamentale. Le présent travail concerne le développement d’outils précis de modélisation électrothermique qui permettent d’appréhender l’impact de la technologie choisie (conception, connectiques, matériaux …) sur les phénomènes causés par les défauts qui apparaissent avec le vieillissement. Des règles de robustesse spécifiques à chaque technologie pourront être édictées à l’aide de simulations 3D distribuées présentées dans le mémoire. Dans un premier temps la modélisation électrothermique compacte a été abordée. Ensuite, en se limitant aux modules MOS de puissance, une première classe de problèmes caractérisée par l’absence de commutation peut être traitée en ayant recours à une modélisation électrothermique par éléments finis qui considère que le composant est constitué par un ensemble de zones de résistivités électriques et de conductivités thermiques différentes. Une tentative a été faite en vue d’étendre l’étude électrothermique aux classes de problèmes mettant en œuvre des MOS de puissance fonctionnant en régime de commutation. Le modèle électrique distribué doit alors être capable de calculer et de répartir les pertes totales (état passant, état bloqué et commutation) pour un régime de commutation rapide. Enfin, un soin particulier a été accordé à l’étude du fonctionnement en avalanche, une méthode basée sur l’expérimentation et l’utilisation d’un modèle électrothermique simple afin d’estimer la température de jonction d’un MOSFET de puissance lors de son fonctionnement en régime d’avalanche de courte durée a été développée. Pour conclure, on a démontré qu’il n’existe pas une réponse unique en termes de modélisation électrothermique et que chaque méthode vise à résoudre une classe spécifique de problèmes / The strong current development of embedded electronic systems leads us to the challenge of their reliability, all the more so as the security organs are often involved and that these systems operate in harsh environmental conditions with a requirement to reduce cost drastically. What best characterizes the recent evolution of the embedded electronic systems is a strong integration that leads to reduce their size and weight while increasing the electrical power converted. This automatically increases the power density dissipated and so the study of their electro-thermal behavior becomes of fundamental importance. The present work concerns the development of specific tools that allow electro-thermal modeling to understand the impact of the chosen technology (design, connections, materials ...) on the phenomena caused by defects that occur with ageing. Robustness rules specific to each technology may be adopted using 3D simulations presented in the report. At first, compact electro-thermal modeling was discussed. Second, considering power MOS modules which operate in a non-switching mode, a first class of problems can be treated by using a finite element electro-thermal modeling that assumes that the components act as a set of zones whose electrical and thermal conductivities are different. An attempt was made to extend the electro-thermal study to classes of problems where power MOSFETs are switching. Distributed electrical models must then be able to calculate and allocate total losses (on-state, off-state and switching) for a fast switching rate. Finally, particular attention has been given to the study of avalanche mode operation; a method based on experimentation and the use of a simple electro-thermal model to estimate the junction temperature of a power MOSFET when operating in short duration avalanche mode has been developed. To conclude, we have demonstrated that there is no single answer in terms of electro-thermal modeling and each method developed aims to solve a specific class of problems
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2013ISAT0015 |
| Date | 23 May 2013 |
| Creators | Azoui, Toufik |
| Contributors | Toulouse, INSA, Dorkel, Jean-Marie, Tounsi, Patrick |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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