Défis et Innovations en Thermique des Semi- Conducteurs WBG : Modélisation Dynamique et Validations Expérimentales

Dans le domaine de l’électronique de puissance, la gestion de la température des composants est un enjeu crucial, surtout avec l’émergence des composants à large bande interdite (WBG) qui fonctionnent à des fréquences de commutation élevées et avec des courants importants. Ces caractéristiques entraînent des pertes par commutation significatives et une augmentation de la température, ce qui soulève des défis majeurs pour leur contrôle. La température de jonction, un paramètre essentiel dans ce contexte, est difficile à mesurer directement. Compte tenu de la limite maximale de température fixée par les fabricants, il devient impératif d’estimer cette température de manière précise. Dans notre travail, nous avons observé que les modèles de réseaux thermique, tels que les modèles de Foster et de Cauer, sont fréquemment utilisés pour simuler le comportement dynamique des semi-conducteurs. Nous avons proposé une méthode basée sur une simulation FEM (Finite Element Method) en régime permanent (steady state). Cette approche nous a permis de définir les angles de diffusion et d’effectuer plusieurs étapes de traitement des données de température sur les différentes couches du semi-conducteur pour pouvoir modéliser notre modèle Cauer en calculant les résistances thermiques et capacités thermiques de chaque couche. Cependant, ces modèles présentent des limitations, notamment en ce qui concerne la modélisation FEM qui s’avère complexe, en raison des difficultés à obtenir des informations précises sur les propriétés physiques et thermiques des puces. Face à cette contrainte, nous avons exploré l’utilisation d’un modèle autorégressif à variables exogènes (ARX), que nous allons identifier en nous basant sur des mesures effectuées à partir d’un banc d’essai expérimental. Cette méthode offre une alternative viable à la simulation FEM, en raison de sa capacité à s’adapter aux données expérimentales réelles. Dans le cadre du présent travail, nous avons effectué une comparaison entre les résultats obtenus à partir de simulations 3D effectuées sur le logiciel COMSOL en régime dynamique et ceux générés par notre méthode proposée pour identifier le modèle de Cauer. Parallèlement, nous avons comparé ces résultats avec ceux obtenus à partir du modèle ARX, identifié grâce aux mesures issues de la simulation dynamique COMSOL. L’objectif était de déterminer quelle méthode reproduit le mieux le comportement dynamique des semi-conducteurs WBG. Pour compléter notre étude, nous avons réalisé un banc d’essai expérimental permettant d’identifier un modèle ARX pour la mesure de la température. Ce modèle a été développé en plaçant un capteur à proximité immédiate des puces (CTN), afin de recueillir des données de température en temps réel.