Évaluation de la température des composants actifs de puissance

La température des composants à semi-conducteurs de puissance est une grandeur physique qui affecte la fiabilité et le bon fonctionnement des convertisseurs statiques d’énergie électrique. Sa prise en compte est nécessaire pour satisfaire les attentes en termes de performances, de fiabilité et de durée de vie. En effet, le calibre opérationnel en courant d’un composant de puissance dans son environnement est lié à la température atteinte par la partie active en relation avec les conditions d’usage et les performances de son système de refroidissement. Ainsi, si ce dernier n’est pas suffisamment performant, le calibre en courant communiqué par le constructeur ne peut pas être atteint car, dans ce cas, la température du composant dépasse sa valeur maximale admissible. Par ailleurs, les composants voient leur température varier au cours de leur fonctionnement. En dehors des effets induits par les mécanismes d’endommagement dus au vieillissement, ces variations sont dues à plusieurs phénomènes d’origines environnementales ou opérationnelles ayant des échelles de temps distinctes :

• variation de la température ambiante (cycles jour/nuit, été/hiver, altitude basse et haute…) ;

• variation de la puissance dissipée liée au profil de mission (phases d’accélération de décélération par exemple dans le cas du transport) ;

• variation de la puissance dissipée au cours d’une période de fonctionnement électrique. C’est par exemple le cas dans les onduleurs où les composants intégrés subissent des variations périodiques de leur température dont l’amplitude dépend du point de fonctionnement du système ;

• variation de la puissance dissipée et de sa distribution dans la structure interne du composant sur une période de commutation.

Chacune de ces variations génère des contraintes électrothermiques et thermomécaniques pouvant se traduire par un vieillissement prématuré de l’assemblage des matériaux hétérogènes qui composent un module de puissance. La connaissance ou l’estimation des variations de température liées à une application et aux choix technologiques permet par exemple d’estimer des indicateurs qui rendent compte de l’intégrité du module à semi-conducteur de puissance, mais aussi de quantifier ses performances.

Dans cet article, nous définirons dans un premier temps la notion de température de jonction de la partie active puis nous expliquerons pourquoi il est nécessaire de mettre au point des méthodes expérimentales pour la mesurer. Dans un deuxième temps, nous présenterons les principales méthodes de mesure de la température de jonction pour caractériser notamment les performances thermiques des modules de puissance. Enfin, nous présenterons les solutions existantes et en cours de développement pour effectuer des mesures de température de jonction dans les conditions d’usage d’un convertisseur.