Conception de systèmes d'isolation haute tension en électronique de puissance : prise en compte de nouveaux matériaux et structures

Dielectric materials are used in the insulation of electrical equipment, and their reliability and lifetime depend on their properties. Therefore, it is important to model these properties in order to simulate the behavior of these materials during the device design, especially their impact on the electric field and temperature distributions. In this study, the equations, models and solving methods generally implemented in commercial design tools used for the numerical simulation of an insulation system are analyse. The main guideline conception's are pointed out according to different studies. The limitations of current software are described and improvements are proposed by introducing additional modeling tools that can take into account of dielectric relaxation phenomena and certain non-linear properties. The work then contributed to the study of the improvement of the insulation system of a power electronic module for high voltage ramping. In a module, the triple point between the ceramic substrate, the gel and the metallization has been identified as the place where electrical stresses are concentrated. The inclusion of a semi-resistive layer between the electrodes may be a solution to modify the electric field distribution in this area. Time-domain simulations were performed using the commercial tool COMSOL Multiphysics(r) to study the electric field distribution, as well as the current density distribution, for different combinations of permittivity and conductivity of the layer (linear or non-linear with field) under voltage step excitation, for the case (few studied in the literature) of very high dv/dt, such as induced by the new silicon carbide power devices. More faster is the switching, more conductivity and permittivity must be increased to ensure that the system is protected in all operating states (transient and steady state). This can lead to high transient leakage currents, and significant losses. The partial resolution of this problem by introducing a non-linear conductivity layer has led to the definition of a design approach for the optimization of the insulation system of a module. The second point of the work is the consideration of relaxation phenomena, fundamental in dielectric materials, but delicate to manage in time domain in any conditions. The simple Debye model, allowing to consider only on relaxation mode, is most often insufficient in solid materials which can have several superposed modes. The underlying relaxation time distribution is complex to model in the time domain: The Diffusive Representation (DR) is a mathematical tool allowing both this modeling and the adaptation of the model by parametric identification using frequency or time measurements on the device or samples. The resulting models are introduced into COMOL to simulate the behavior of dielectric materials within any geometry and under any excitation, not only harmonic. Furthermore, under some assumptions, it is also possible to simulation the behavior at high temperature and materials with nonlinear conductivity. In conclusion, taking into account of relaxation phenomena and nonlinear properties in dielectric materials in time domain simulation will allow to optimize the choice of geometries and materials in the design phase, with the help of previously adapted numerical simulation tools.Les matériaux diélectriques sont utilisés dans l'isolation des équipements électriques, dont la fiabilité et la durée de vie dépendent de leurs propriétés. Il est donc important de pouvoir modéliser ces propriétés afin de simuler le comportement de ces matériaux lors de la conception du dispositif, notamment leur impact sur la distribution du champ électrique et de la température. Le travail de thèse a d'abord consisté en l'examen des équations, des modèles et des modes de résolution généralement mis en œuvre dans les outils de conception commerciaux utilisés pour la simulation numérique d'un système d'isolation. Les principales règles à suivre sont rappelées selon les cas d'étude. Les limites des logiciels actuels sont décrites et des améliorations sont proposées en introduisant des compléments de modélisation aptes à prendre en compte les phénomènes de relaxation diélectrique et certaines propriétés non linéaires. Le travail a contribué ensuite à l'étude de l'amélioration du système d'isolation d'un module de l'électronique de puissance pour la montée en haute tension. Dans un module, le point triple entre le substrat céramique, le gel et la métallisation a été identifié comme l'endroit où se concentrent les contraintes électriques. L'ajout d'une couche semi-résistive entre les électrodes peut être une solution pour modifier la distribution du champ électrique au niveau de ce point. Des simulations dans le domaine temporel ont été réalisées à l'aide de l'outil commercial COMSOL Multiphysics(r) afin d'étudier la distribution du champ électrique, ainsi que la distribution de la densité de courant, pour différents jeux de permittivité et de conductivité de la couche (linéaire ou non linéaire par rapport au champ) sous une excitation en échelon de tension, pour le cas (très peu étudié) de fronts très élevés, tels qu'induits par les nouveaux composants de puissance en carbure de silicium. Plus le front d'excitation est raide et plus il faut augmenter la conductivité et la permittivité pour s'assurer que le système soit protégé dans tous les régimes de fonctionnement (régimes transitoire et permanent). Ceci peut entraîner des courants transitoires et de fuite élevés, et des pertes importantes. La résolution partielle de ce problème par l'introduction d'une couche à conductivité non linéaire en champ électrique a conduit à définir une démarche de conception pour l'optimisation du système d'isolation d'un module. Le second point du travail est la prise en compte des phénomènes de relaxation, fondamentaux dans les matériaux diélectriques, mais délicats à traiter dans le domaine temporel en régime quelconque. Le modèle simple de Debye, ne permettant de considérer qu'un seul mode de relaxation, est le plus souvent insuffisant dans les matériaux solides qui peuvent comporter plusieurs modes superposés. La distribution sous-jacente de temps de relaxation est complexe à modéliser dans le domaine temporel : la Représentation Diffusive (RD) est un outil mathématique permettant à la fois cette modélisation et l'adaptation du modèle par identification paramétrique au moyen de mesures fréquentielles ou temporelles sur le dispositif ou des échantillons. Les modèles obtenus sont introduits dans COMSOL pour simuler le comportement de matériaux diélectriques au sein de n'importe quelle géométrie et sous excitation quelconque, pas uniquement harmonique. En outre, sous certaines hypothèses, il est également possible de simuler le comportement à haute température (avec une relaxation plus prononcée) et les matériaux à conductivité non linéaire. En conclusion, la prise en compte dans le domaine temporel des phénomènes de relaxation et des propriétés non linéaires au sein des matériaux diélectriques permettra d'optimiser le choix des géométries et des matériaux dans la phase de conception, au moyen d'outils de simulation numérique préalablement adaptés