Brevet FR3068475A1 — publié le 20190104

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure par la luminescence de la dégradation thermique du chemin de refroidissement de composants électroniques de puissance et a pour objet un dispositif de conversion de l'énergie électrique comprenant au moins un commutateur composant semi-conducteur de commutation, un chemin de refroidissement pour refroidir le composant semiconducteur et un dispositif pour déterminer la dégradation du chemin de refroidissement à l'aide du courant d'intensité prédéfini traversant le composant. Etat de la technique De nombreux dispositifs d'électronique de puissance utilisent des composants semi-conducteurs de commutation pour convertir l'énergie. Les composants sont refroidis avec un chemin de refroidissement. Le domaine d'application d'un tel dispositif est celui des utilisations comme unité de commande de puissance, comme inverseur ou comme redresseur de tension continue (convertisseur DC/DC) par exemple dans les véhicules électriques, les installations solaires ou les installations aérauliques. Le fonctionnement correct des composants nécessite ainsi un chemin de refroidissement non défectueux. Pour le composant, il faut ainsi un chemin de refroidissement fonctionnant correctement. Pour de nombreuses applications il est nécessaire de déterminer la dégradation du chemin de refroidissement pour éviter le risque d'un fonctionnement défectueux ou de la défaillance du composant. Des composants semi-conducteurs qui utilisent de tels dispositifs sont, par exemple, les transistors à effet de champ (MOSFET), les transistors bipolaires avec une porte isolée (IGBT) et des diodes, par exemple, en silicium (Si), en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de Gallium (GaN). Les composants semi-conducteurs électroniques utilisés dans de tels dispositifs servent à communiquer et disposent d'un chemin à roue libre installé comme élément de commutation dans le sens du blocage, correspondant, de manière générale, à une diode. Les transistors à effet de champ MOSFET (semi- conducteur-métal-oxyde) comportent, du fait même de leur fonctionne- 2 ment, dans l'ossature, un tel chemin de roue libre connu de façon générale comme diode dite de « roue libre ». Les composants semi-conducteurs de commutation qui ne disposent pas de manière inhérente d'un tel chemin en roue libre, 5 notamment les transistors bipolaires, avec leur porte isolée (IGBT) sont, de façon générale, complétés par une diode de roue libre, distincte. Pour des raisons d'optimisation de commutation, on peut également réaliser un transistor à effet de champ MOSFET (semi-conducteur-métal-oxyde) comme une diode de roue libre, distincte réalisée dans ce cas par une 10 diode Schottky. Si les jonctions p-n dans des composants semiconducteurs travaillent dans le sens passant et que ces jonctions sont traversées par un courant, il y a émission de photons (luminescence). Selon le semi-conducteur utilisé et les caractéristiques de la jonction 15 p-n (concentration en dopant) il y a émission de lumière selon diffé- rentes intensités et longueurs d'onde. L'intensité de la lumière émise dépend du passage du courant dans la jonction p-n et de la température du composant. Exposé et avantages de l'invention 20 L'invention a pour objet un dispositif de conversion d'énergie électrique comprenant au moins un composants semiconducteur de commutation, un chemin de refroidissement pour refroidir le composant semi-conducteur et un dispositif pour déterminer la dégradation du chemin de refroidissement à l'aide du courant 25 d'intensité prédéfinie traversant le composant, ce dispositif étant carac- térisé en ce que le composant semi-conducteur comprend une matière semi-conductrice à activité optique, générant une lumière dont la luminosité dépend de la température lorsque le composant semi-conducteur est traversé par un courant d'intensité prédéfinie et le dispositif pour 30 déterminer la dégradation, comprend un capteur de luminosité pour saisir la luminosité de la lumière générée. L'invention a également pour objet un dispositif pour déterminer la dégradation du chemin de refroidissement d'un composant semi-conducteur en utilisant l'intensité prédéfinie du courant traver- 35 sant le composant semi-conducteur, le composant semi-conducteur 3 comportant une matière semi-conductrice à activité optique qui génère de la lumière de luminosité en fonction de la température lorsque le composant semi-conducteur est traversé par du courant d'une intensité prédéfinie, et comprenant les étapes suivantes consistant à saisir la lu- 5 minosité de la lumière générée, à l'aide d'un capteur de luminosité et déterminer la dégradation en utilisant la luminosité saisie. Le dispositif selon l'invention a l'avantage que, de manière inhérente, il réalise une séparation galvanique entre le dispositif de détermination de l'intensité du courant et le composant. Ainsi, sans 10 séparation de potentiel, cela permet une exploitation du signal à un ni- veau bas de tension. En outre, le dispositif selon l'invention est de faible volume et son coût de réalisation est réduit. L'invention permet de faire fonctionner le dispositif de conversion d'énergie électrique d'une manière sécurisée et de remplacer à temps le composant si la valeur limite 15 de la dégradation est dépassée. Selon un développement particulier, le dispositif est une photodiode constituant le capteur de luminosité, ce qui permet une saisie avantageuse de la luminosité. Le dispositif de détermination de la dégradation déter- 20 mine la dégradation à la fin d'une durée prédéfinie au cours de laquelle le courant traverse le composant avec une intensité prédéfinie. Cela permet d'appliquer un courant de mesure, d'intensité prédéfinie, pendant une durée donnée, suffisamment longue, pour que la chaleur dégagée dans le composant arrive dans le chemin 25 de refroidissement de sorte que l'élévation de température du compo- sant dépend de l'aptitude au fonctionnement du chemin de refroidissement et que l'on influence ainsi thermiquement l'intensité de la lumière émise. Le dispositif de détermination de la dégradation déter- 30 mine la charge en cumulant l'intensité du courant dans la photodiode sur une période prédéfinie, ce qui permet de réduire, de manière simple, le défaut de la détermination du degré de vieillissement provoqué par l'effet initial de la répartition thermique dans le composant. Le dispositif de détermination de la dégradation permet 35 de déterminer la dégradation en utilisant une grandeur de mesure dé- 4 terminée (charges) et une grandeur de mesure de référence (charges de référence). Pour de nombreuses applications, il suffit de connaître la variation relative par rapport à une valeur initiale. En particulier, on 5 peut déclencher le remplacement du composant, par exemple, pour un écart minimal prédéfini, entre la grandeur de mesure donnée (charges) et à une grandeur de mesure de référence (charges de référence). Selon une autre forme de réalisation, un meilleur rendement lumineux suppose que le commutateur avec le chemin de roue 10 libre comporte un composant semi-conducteur, au moins partiellement transparent. Cela permet d'ouvrir partiellement la métallisation nécessaire au fonctionnement (par exemple l'électrode de drain ou de source) et/ou de réaliser l'encapsulage transparent pour que la lumière puisse sortir du composant semi-conducteur et/ou de son encapsulage. 15 De manière préférentielle, l'arête transparente, inhérente du composant semi-conducteur (arête de la puce) est utilisée, ce qui permet de supprimer d'autres moyens pour réaliser à la transparence du composant semi-conducteur. Les composants semi-conducteurs concernés sont, de 20 préférence, des transistors à effet de champ MOSFET (métal-oxyde- semi-conducteur) ayant une diode formant le corps et/ou des diodes de roue libre antiparallèles, distinctes ou des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) avec une diode de roue libre en montage antiparallèle. Le corps de diode ou la diode de roue libre ou, dans le cas 25 d'un composant IGBT, la jonction p-n du collecteur génèrent la lumière. Le composant semi-conducteur a une zone à activité optique pour générer la lumière, ce qui permet d'augmenter le rendement lumineux et d'améliorer la détermination de la luminosité. Cela peut se faire en variante ou en complément en do- 30 pant le composant semi-conducteur pour augmenter la génération de lumière. Le dispositif comporte un élément photoconducteur qui dirige la lumière sur le capteur de luminosité. Cela permet également d'améliorer le rendement lumineux et la détermination de la luminosité. 5 Le dispositif comporte une unité de commande de puissance ou un inverseur pour le véhicule électrique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide 5 d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un exemple de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de mode de réalisation, et 10 la figure 3 montre des courbes de mesure données à titre d'exemple, représentant la relation entre le courant de mesure, la température du composant et le courant de photodiode pour un composant intact et pour un composant ayant un chemin de refroidissement dégradé. 15 Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre schématiquement une forme de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple. La figure montre un dispositif 10 pour convertir l'énergie électrique à l'aide d'au moins un composant semi-conducteur de com- 20 mutation 100. Dans l'exemple de réalisation, le composant semi- conducteur de commutation est un transistor à effet de champ MOSFET (métal-oxyde-semi-conducteur), par exemple, un composant SiMOSFET, un composant GaN-MOSFET ou un composant SiCMOSFET ; une diode ou une diode de corps 110 du composant MOSFET 25 est utilisée pour générer la lumière. D'autres composants peuvent, tou- tefois s'utiliser sans sortir du cadre de l'invention. Le composant est refroidi dans un radiateur 400 raccordé au composant 100 par un chemin de refroidissement. En outre, le dispositif 10 comporte un dispositif 200 pour déterminer la dégradation du chemin de refroidissement du com- 30 posant semi-conducteur 100 à l'aide du courant traversant le compo- sant. Cela permet de prédéfinir le courant traversant le composant ou de le générer selon un profil prédéfini. Le composant semi-conducteur 100 a un substrat 120 fortement dopé, avec une matière semi-conductrice à activité optique et 35 branchée entre l'électrode de source 111 et l'électrode de drain 112, en 6 parallèle à la diode 110 par un branchement de source en vrac 121 distinct. Le composant semi-conducteur à activité optique fait ainsi partie d'une diode de corps du composant semi-conducteur 100 et génère de la lumière d'une luminosité dépendant de l'intensité et de la tempéra- 5 ture lorsque le composant semi-conducteur 100 est traversé par un courant. Le dispositif 200 pour déterminer le degré de vieillissement du chemin de refroidissement comporte un capteur de luminosité 210 pour saisir la luminosité de la lumière générée. Dans l'exemple représenté, le capteur de luminosité 210 est une photodiode ; mais on peut utiliser 10 d'autres capteurs de luminosité, sans sortir du cadre de l'invention. Se- lon les formes de réalisation données à titre d'exemple, la relation entre la luminosité et la température est une relation réciproque : la température diminuant lorsque la luminosité augmente. Le composant semi-conducteur 100 a au moins une élec- 15 trode partiellement transparente et/ou au moins un encapsulage par- tiellement transparent laissant passer la lumière générée pour le composant électronique 100. Selon une autre forme de réalisation donnée à titre d'exemple, sur son côté inférieur, le composant a, une métallisation de 20 drain, partiellement transparente. Il est également possible d'ouvrir la métallisation de porte sur le côté supérieur, à côté de la source. Cette troisième possibilité consiste ainsi à utiliser l'arête de la puce transparente. Cela rend inutiles une métallisation spéciale et/ou des ouvertures. 25 Le dispositif 10 comporte un élément photoconducteur 300 pour diriger la lumière générée vers la photodiode 110. Le chemin de transmission optique entre le composant 100 et le capteur de luminosité 210 réalise une coupure de potentiel. Cela favorise les applications notamment en haute tension. Le capteur de luminosité 210 peut 30 également être intégré au composant 100. Selon un autre exemple de réalisation, on supprime l'élément photoconducteur et on exploite directement la lumière diffuse. Cela permet de déterminer la luminosité de la lumière générée en cas d'intensité de courant de mesure saisie à l'aide du cap- 35 teur de luminosité et le degré de vieillissement du chemin de refroidis- 7 sement en utilisant la luminosité saisie. Cela permet d'utiliser la fonction de température de la luminosité pour un courant connu. Dans l'exemple de réalisation présenté, on peut déterminer une grandeur de dimension/charges par l'addition de l'intensité du 5 courant traversant les photodiodes et qui se détermine sur une période donnée. La figure 3 montre, à titre d'exemple, des courbes de mesure de la relation entre le courant de mesure et la température du composant ou d'une photodiode pour un composant intact et pour un 10 composant dont le chemin de refroidissement est dégradé. Pendant la durée At on applique un courant de mesure ISense d'une intensité prédéfinie. Cela est représenté par la courbe supérieure. La température T augmente pendant la durée At. Après coupure du courant de mesure, la température chute de nouveau. Du fait du 15 chemin de refroidissement dégradé, la température du composant (courbe en traits interrompus) augmente plus fortement que dans le composant intact (courbe en trait plein). Cela correspond aux courbes intermédaires. Les courbes de température, différentes, créent une photo-intensité 'PHOTO, selon les différentes courbes de température. En ad- 20 ditionnant les différents courants photo 'PHOTO sur la durée At, on obtient la courbe de ces grandeurs de mesure/grandeur de charges. Dans l'exemple, le courant de mesure Isense est constant pour une intensité de courant prédéfinie. Mais on peut également envisager un courant de mesure Isense dont l'intensité varie de manière pré- 25 définie pendant des périodes prédéfinies. Le courant traversant la photodiode est amplifié par l'amplificateur pour être converti en un signal numérique et être traité. La préparation se fait, par exemple, par lissage, filtrage et/ou synchronisation dans le temps. 30 Selon une forme de réalisation du procédé, donnée à titre d'exemple, on répète la mesure régulièrement et dans des conditions de fonctionnement très complexes pour une température de sortie. La répétition peut se faire, par exemple, en cas de dépassement d'une température basse prédéfinie. Le système peut ensuite prévoir une mémoire 35 interne pour compenser les grandeurs dimensionnelles. 8 Selon une forme de réalisation donnée à titre d'exemple du procédé, en cas de dépassement d'une température prédéfinie de l'agent de refroidissement, le semi-conducteur est chauffé par un courant prédéfini jusqu'à l'émission d'une quantité de lumière prédéfinie. 5 La durée nécessaire est mesurée et plus la durée sera courte et plus mauvaise sera la liaison du semi-conducteur au chemin de refroidissement. Le dispositif comporte en outre d'autres formes de réalisation données à titre d'exemple représentant un amplificateur et/ou 10 un convertisseur analogique / numérique et/ou un élément de prétrai- tement de signal. La figure 2 montre un autre exemple de mode de réalisation en vue en coupe. Le composant semi-conducteur de commutation 100 est 15 installé dans ce cas sur un radiateur 40 pour évacuer la chaleur de commutation du composant 100. En face sur un côté du composant 100 là où se trouve le radiateur 400, on a une région optiquement active, transparente, réalisée par l'encapsulage 100. L'encapsulage transparent constitue le côté 20 opposé. L'encapsulage transparent est traversé par la lumière générée par le chemin de substrat fortement augmenté et sortant du composant 100 dans la direction de la photodiode 210. La photodiode 210 est, par exemple, sur un circuit imprimé (PCB). Selon un exemple de réalisation d'un procédé de 25 l'invention, on prédéfinit une jonction p-n d'un composant semi- conducteur tel que, par exemple, le corps semi-conducteur d'un transistor à effet de champ. Pendant une durée prédéfinie At, on applique un courant de mesure ISense, constant non nul pendant la durée prédéfinie At. Ce courant de mesure Isense chauffe le semi-conducteur et l'excite à 30 la luminescence. A la fin de la durée At on aura un flux de chaleur ré- sultant dans le chemin de refroidissement du semi-conducteur (non représenté). Pendant cette durée, on saisit l'intensité de la luminescence avec un capteur photosensible avec, dans cet exemple de réalisa- 35 tion, avec une photodiode donnant un courant. 9 Dans l'exemple de réalisation on additionne le courant de la photodiode pendant la durée At de sorte que l'on obtient uniquement pour les valeurs d'exploitation, une grandeur de mesure, par exemple, une quantité de charges. Le vieillissement du composant thermique son 5 impédance thermique augmente et ainsi, pendant l'élévation de tempé- rature la chaleur ne peut pas être évacuée efficacement de sorte que la température T du semi-conducteur de la couche de blocage augmente plus fortement. La température plus élevée, réduit la luminescence, ce qui donne une dépendance significative entre les différentes grandeurs 10 du dimensionnement telle que, par exemple, la quantité définie de charges et la température et aussi la dégradation du chemin de refroidissement. Dans l'exemple de réalisation, on retranche la grandeur de mesure prédéfinie, par exemple, la quantité définie de charges d'une 15 grandeur de référence, par exemple, d'une quantité de charges de con- signe, prédéfinie, qui passeraient dans un semi-conducteur non défectueux et/ou on met ces grandeurs en rapport. Il en résulte un écart relatif par rapport à la grandeur de mesure de référence, par exemple, la quantité de charges de consigne et cette grandeur de référence sert 20 dans cet exemple de réalisation comme mesure de dégradation. Si la valeur de l'écart relatif dépasse un seuil prédéfini, par exemple 0,1 (correspondant à au moins 10% de dérive par rapport à l'état normal), selon un développement du procédé, on remplace le semi-conducteur indépendamment de son aptitude fondamentale à fonc- 25 tionner. La dégradation du chemin de refroidissement est relativement lente pendant toute la durée de vie de sorte qu'il n'est pas nécessaire de saisir cet état pendant le fonctionnement. Selon ces développements du procédé, on effectue le pro- 30 cédé comme procédé d'arrière-plan, dans le cadre de la phase de démar- rage du semi-conducteur (initialisation d'un système comprenant le semi-conducteur, par exemple, à l'ouverture du véhicule, au démarrage du moteur du véhicule équipé du semi-conducteur) et/ou dans le cadre de la phase de coupure du semi-conducteur (par exemple, la phase 35 d'arrêt du système lorsqu'on coupe le moteur ou on arrête le véhicule). 10 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 10 Dispositif de conversion d'énergie électrique 100 Composant 5 110 Diode 111 Electrode de source 112 Electrode de drain 120 Chemin de substrat 121 Branchement de source 10 200 Dispositif de détermination de la dégradation du refroidissement 210 Capteur de luminosité / photodiode 300 Elément photoconducteur 400 Radiateur / REVENDICATIONS1°) Dispositif (10) de conversion d'énergie électrique comprenant : au moins un composant semi-conducteur de commutation (100), un chemin de refroidissement pour refroidir le composant semi- conducteur (100) et un dispositif (200) pour déterminer la dégrada- tion du chemin de refroidissement à l'aide du courant d'intensité prédéfinie traversant le composant, dispositif caractérisé en ce que le composant semi-conducteur (100) comprend une matière semi- conductrice (120) à activité optique générant une lumière dont la lumi- nosité en fonction de la température lorsque le composant semiconducteur (100) est traversé par un courant d'intensité prédéfinie et le dispositif (200) pour déterminer la dégradation, comprend un capteur de luminosité (210) pour saisir la luminosité de la lumière générée. 2°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de luminosité (210) comporte une photodiode. 3°) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif (200) pour déterminer la dégradation détermine la dégradation à la fin d'une durée prédéfinie au cours de laquelle le courant à intensité prédéfinie traverse le composant. 4°) Dispositif selon la revendication 2 et la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif (200) pour déterminer la dégradation détermine une quantité de charges en cumulant l'intensité du courant de la photodiode pen- dant la durée prédéfinie. 5°) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que 12 le dispositif (200) de détermination de la dégradation détermine la dégradation en utilisant la quantité prédéfinie de charges et la quantité de charges de consigne. 5 6°) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le composant semi-conducteur (100) comporte au moins un transistor à effet de champ (métal-oxyde-semi-conducteur) MOSFET avec au moins une électrode de source partiellement transparente (111) et un encap- 10 sulage au moins partiellement transparent laissant passer la lumière générée par le composant MOSFET, le composant MOSFET étant un composant MOSFET à base de GaN, ou une diode (110) ou un corps de diode d'un composant MOSFET gé- 15 nère la lumière, et le dispositif comporte un trajet de substrat (120) branché entre l'électrode de source (111) et l'électrode de drain (112) en parallèle à la diode (110). 20 7°) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le composant semi-conducteur (100) a une zone à activité optique (120) pour générer la lumière et/ou un dopage augmentant la génération de lumière. 25 8°) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un élément photoconducteur (300) disposé pour diriger la lumière générée vers le capteur de luminosité (210). 30 9°) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande de puissance ou un inverseur pour un véhicule électrique. 13 10°) Dispositif pour déterminer la dégradation du chemin de refroidissement d'un composant semi-conducteur (100) en utilisant l'intensité prédéfinie du courant traversant le composant semi-conducteur (100), qui comporte une matière semi-conductrice à activité optique générant 5 de la lumière de luminosité en fonction de la température lorsque le composant semi-conducteur (100) est traversé par du courant d'une intensité prédéfinie, procédé comprenant les étapes suivantes consistant à: - saisir la luminosité de la lumière générée à l'aide d'un capteur de 10 luminosité (210), et déterminer la dégradation en utilisant la luminosité saisie. 15