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Modélisation des couplages électrothermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack. Application à l'Integrated Gate Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA.

Feral, Hervé (2005) Modélisation des couplages électrothermo-fluidiques des composants en boîtier press-pack. Application à l'Integrated Gate Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA. (Press-pack components Electro-thermo-Fluidic modeling. Application to the Integrated Gate Commutated Thyristor 4,5kV - 4kA.)

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Prix Léopold Escande 2005 (more)

Abstract

La température est un paramètre fondamental pour la bonne utilisation des composants semiconducteurs. Dans les convertisseurs statiques utilisés dans la gamme du MW, les puissances dissipées dans les semi conducteurs sont de l'ordre du kW. Une analyse thermique de l'assemblage semi-conducteur/dissipateur est donc indispensable pour comprendre les phénomènes et les limitations entrant en jeu dans le fonctionnement. Il faut notamment être capable de déterminer la température maximale de fonctionnement (jusqu'à 150°C admissible pour le silicium) et d'étudier les ondulations de température qui influent directement sur la durée de vie du composant. Les phénomènes thermiques présents dans un composant ne peuvent pas être dissociés des phénomènes électriques (dissipation) et fluidique (refroidissement). Une méthode de modélisation électro-thermo-fluidique a donc été développée. L'assemblage press-pack d'un IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 4.5kV 4kA dans une cellule de commutation a été modélisé en prenant en compte le système de refroidissement. Dans la structure press-pack à technologie flottante de l'IGCT, les résistances thermiques de contact contribuent pour une grande partie à la résistance thermique jonction boîtier. Une estimation de ces résistances a donc été effectuée à partir d'une mesure profilométrique et d'une mesure directe. Pour valider la méthodologie de modélisation et recaler le modèle, des mesures thermiques, électriques et fluidiques ont été réalisées sur un composant fonctionnant dans sa cellule de commutation. Le dernier chapitre présente des applications du modèle développé avec notamment une étude de l'influence du sens de circulation de l'eau dans le système de refroidissement des IGCT et une étude des variations de température sur un cycle de fusion d'un four à arc. ABSTRACT : Temperature is an important parameter when you use semi-conductors. In the multi MW power converters the semiconductor losses are upper than kW. The thermal analyzes of the semiconductor package and cooling system must be performed to understand the thermal limitations. The maximal temperature can not be upper than 150°C for silicium components. The temperature variations have an impact on the component life time. The thermal phenomena in the power electronic component can not be dissociated with the electric phenomena (losses) and fluidic phenomena (cooling). An electro-thermo- fluidic modelling method has been elaborated. The method is used to study an IGCT (Integrated Gate commutated Thyristor) 4.5kV 4kA in the switching cell with his water cooling system. The IGCT use a press-pack floating mount package technology. The thermal contact resistances have an important impact on the heat transfer in the package. The thermal contact resistances have been estimated with a profilometric measure and a direct measure. To validate the method and tune the model, thermal, electric and fluidic measurements are performed in an IGCT in MW switching operation. The last chapter introduces the model applications. The model is used to study the water flow direction in the IGCT cooling system. Transient simulations are used to study the temperature fluctuation on an arc furnace melting cycle.

Department or laboratory:Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle - LEEI (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Ladoux, Philippe
Uncontrolled Keywords:IGCT - Electro-thermo- fluidique - Simulation Thermique - Contact thermique - Modélisation thermique - Mesures de température - Profil de mission - Four à arc. KEYWORDS : IGCT - Electro-thermo- fluidic - Thermal simulation - Thermal contact - Thermal modelling - Temperature measurement - Mission profile - Arc furnace
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:16 February 2006

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