Appel Bilatéral Energie ANR-BMBF - ANR-BMBF

Substrat céramique architecturé pour l'électronique de puissance Haute Tension – ARCHIVE

Résumé de soumission

ARCHIVE vise à démontrer le savoir faire et la mise en œuvre d’une technologie novatrice en matière de module d’électronique de puissance pour les dispositifs à semi-conducteurs de 20 kV. Il aborde à la fois les aspects liés à l'isolation électrique ainsi que la gestion thermique, qui sont deux points clé pour ces dispositifs. Dans la technologie standard ces deux aspects sont définis et limités par le même élément : le substrat en céramique, qui fait partie du module de puissance. Il en résulte un compromis entre performance thermique et tenue en tension. Nous estimons que ce compromis n’est plus acceptable pour des tensions au delà de 10 kV car des substrats céramiques de plus en plus épais seraient nécessaires, ce qui entraînerait une baisse dramatique des performances thermiques.

Les solutions techniques étudiées dans ARCHIVE reposent sur un substrat céramique avancé, avec d'une part un design spécifique de la partie supérieure permettant de limiter le renforcement du champ électrique tel qu'observé sur des substrats standard, et d'autre part une approche innovante de refroidissement sur la partie arrière, conjuguant la répartition astucieuse de la contrainte sur l’isolation électrique et un meilleur refroidissement par un fluide diélectrique adapté. Le substrat en céramique ainsi élaboré sera dimensionné pour des puces de 20 kV, car celles-ci sont d'ores et déjà disponibles dans certains laboratoires de recherche. Toutefois, le concept peut être étendu à des tensions beaucoup plus élevées, car il n’impose plus de compromis entre la conductivité thermique et l’isolation électrique.

ARCHIVE présentera un démonstrateur final sous la forme d’un module de puissance complet intégrant le nouveau concept proposé. Cela illustrera parfaitement les avantages de cette solution pour les applications telles que la transmission à courant continu à haute tension (HVDC), où elle offrirait une simplification spectaculaire du système global (en passant de centaines de modules de puissance actuellement à quelques dizaines dans l’avenir). Cette simplification est particulièrement souhaitée car la technologie HVDC jouera un rôle majeur dans les futurs réseaux d'énergie, notamment en ce qui concerne l'intégration de la production d'énergie renouvelable.

Le consortium ARCHIVE regroupe deux partenaires industriels et deux groupes de recherche universitaires:
- CeramTec conçoit et fabrique des pièces en céramique
- SuperGrid Institute développe des technologies HVDC
- A l'Université des Sciences Appliquées de Kempten, le laboratoire d'Electronique Intégrée est spécialiste du refroidissement par liquide des modules de puissance
- Le laboratoire Laplace de l'Université Toulouse III Paul Sabatier possède une expertise reconnue dans les domaines des diélectriques et de l'isolation haute tension.
Ensemble, ils forment un consortium cohérent pouvant adresser les aspects multidisciplinaires de la conception des modules d'électronique de puissance. ARCHIVE s’appuie sur l’engagement actuel de la France pour le développement de la technologie HVDC et sur le très puissant écosystème allemand dans le domaine de l’électronique de puissance.

Coordinateur du projet

Madame Marie-Laure LOCATELLI (LABORATOIRE PLASMA ET CONVERSION D'ENERGIE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LAPLACE LABORATOIRE PLASMA ET CONVERSION D'ENERGIE
SuperGrid SUPERGRID INSTITUTE
Kempten Electronic Integration Laboratory - Kempten University of Applied Sciences
CeramTec CeramTec GmbH

Aide de l'ANR 345 841 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2019 - 36 Mois

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