MDCE – MATERIAUX DIELECTRIQUES DANS LA CONVERSION D’ENERGIE

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Responsable du groupe : Marie-Laure Locatelli

Les activités du groupe MDCE concernent les dispositifs de conversion d’énergie électrique et plus particulièrement les matériaux diélectriques et systèmes d’isolation au sein de ces dispositifs, ainsi que les technologies pour l’intégration 3D des convertisseurs statiques.

Ces activités se situent dans le contexte d’une nécessité forte de réduction du volume, de la masse et des pertes des systèmes de conversion d’énergie couplée à une volonté d’augmentation des niveaux de tension et de puissance et d’emploi de composants à semi-conducteur grand gap. Les enjeux sont ceux de l’efficacité énergétique, du déploiement de l’électrification, majeurs dans les secteurs critiques de la mobilité (tout type de transports) et de l’exploitation des sources d’énergies renouvelables. La nécessité d’une plus grande soutenabilité des dispositifs de conversion d’énergie constitue une priorité majeure pour les activités présentes et futures du groupe.

Membres du groupe MDCE - 2025

L’équipe permanente est composée de 8 enseignant-chercheurs, 2 chercheurs CNRS et 1 ingénieur de recherche. Elle est complétée en moyenne par une douzaine de doctorants et post-doctorants.

Le groupe MDCE collabore avec différents groupes du laboratoire : CODIASE, CS, DSF, GENESYS, GREM3 et GREPHE. Il affiche également de nombreux partenariats académiques et industriels aux niveaux national et international.

THÉMATIQUES DE RECHERCHE

Axe 1 : Mécanismes physiques et corrélation structure de la matière/propriétés
La compréhension de l’évolution des propriétés des matériaux diélectriques et la capacité de la contrôler sont déterminantes en termes de performance et de durée de vie d’un dispositif sous contraintes d’usage sévères (haute tension, haute température, fréquence, pression, …).
 

Des études de caractérisation et/ou modélisation multi-contraintes (électrique, thermique, mécanique et environnementales) sont menées pour comprendre les mécanismes de polarisation diélectrique, conduction électrique et conduction thermique des matériaux polymères (PI, époxy, PEI, PAI, parylènes, silicones) et céramiques (AlN, Al2O3, Si3N4).

 
De nouveaux matériaux composites (micro et nano) sont développés au sein du groupe pour adapter ‘sur mesure’ leurs propriétés fonctionnelles. Des particules isolantes (BN, SiO2, Si3N4, AlN), à forte permittivité (SrTiO3, BaTiO3), non-linéaires (SiC, ZnO) ou conductrices (graphène, nanotubes de carbone) sont intégrées dans des matrice polymères (PI, époxy, PEI) ou céramiques (AlN).
 
Afin de maîtriser au mieux l’impact de la distribution, la taille, la nature, et la concentration de ces particules ainsi que leur interaction avec la matrice (interphase), une méthodologie de caractérisation fine allant de l’échelle nanométrique (en utilisant la microscopie à forces atomiques AFM) jusqu’à l’échelle macroscopique est adoptée afin de comprendre au mieux les relations entre structures et propriétés des matériaux micro- et nano- composites.
Conductivité AC en fonction du champ électrique pour différents rapports Si/N (valeurs x) de couches minces
De nombreux paramètres de nature électrique, environnementale et fonctionnelle ont un degré d’impact sur le vieillissement, la dégradation et la rupture diélectrique des isolants.
 
Leur niveau d’influence, mais également la synergie de ces paramètres, est une problématique complexe. Des études sur les mécanismes de rupture sont menées sur des matériaux céramiques (Al2O3, AlN) et polymères (PI) avec différentes épaisseurs.
 
Ses études reposent sur une approche expérimentale et/ou de modélisation en appliquant des contraintes électriques ou combinées mécaniques-électriques et tenant compte de la nature du milieu environnant. Une analyse des mécanismes de dégradation des isolants au sein d’objets industriels est développée grâce à des partenariats industriels.
 
Des nouveaux véhicules-tests simplifiés et de nouvelles méthodes de vieillissement accéléré ont été mis en place pour reproduire les conditions d’application réelles, et suivre dans le temps l’évolution des propriétés électriques et la modification de la structure des matériaux en lien avec le degré de complexité des objets.
Banc de rupture électro-mécanique permettant des essais séquentiels ou combinés en appliquant a) une contrainte de flexion et/ou b) un champ électrique à des isolants
Des nouveaux matériaux isolants assurant une meilleure soutenabilité des systèmes de conversion statique d’énergie sont développés. Ces matériaux, des vitrimères à réseaux covalents dynamiques, présentent des caractéristiques nouvelles pour des polymères thermodurcissables telles que la mémoire de forme, la faculté de réparation de ruptures de liaisons chimiques après vieillissement, la possibilité de recyclage, etc. Cette étude de matériaux vitrimères s’est avérée une voie très prometteuse pour la réalisation de circuits imprimés ou l’encapsulation de modules de puissance.
 
Des travaux sur la fonctionnalisation du substrat céramique pour contribuer à la réduction de champ maximal au sein des modules de puissance ont abouti à l’obtention d’un procédé innovant pour l’élaboration de pièces en AlN composites chargés en graphène, avec une conductivité électrique élevée, ciblée localement.
 
Des travaux dédiés à la fonctionnalisation de matériaux polymères (propriétés diélectriques ou conductrices) pour l’encapsulation à gradient de propriété sont quant à eux arrivés au stade de la démonstration dans un module.
 
Des études de la fabrication d’interconnexion pressée à base de nano poteaux permettant d’adresser des résolutions compatibles avec les nouveaux composants électroniques de puissance tout en assurant une meilleure fiabilité et des performances électro-thermiques supérieures aux solutions actuelles sont réalisées. La détermination des propriétés thermiques de l’interconnexion est quantifiée en réalisant un banc de caractérisation de l’impédance thermique transitoire.
Illustration de la réparation d’un macro défaut dans un vitrimère
Gradation de champ par modification localisée de la conductivité électrique dans un substrat céramique : de la conception de l’objet (a,b), jusqu’à l’élaboration du substrat (c-e)
Des méthodes permettant la prise en compte, par simulation numérique, du comportement non instantané de la permittivité diélectrique lors de la simulation numérique sous excitation quelconque, par une approche basée sur la représentation diffusive pour modéliser les relaxations diélectriques sont développées.
 
La modélisation des contraintes au sein des bobinages des moteurs électriques par une méthode originale de détermination des lignes de champ électrique dans un problème électrostatique est proposée pour identifier les risques d’apparition de décharges partielles (DP) sous basse pression et température.
 
Des travaux sur la structuration des composites polymères à gradient de propriété a fait l’objet d’un premier transfert vers l’industrie pour l’encapsulation d’un module de puissance classique à IGBT Si 3.3 kV avec un matériau époxy à gradient de permittivité.
 
Un démonstrateur de module de puissance avec encapsulation par FGM à gradient de permittivité a été mis en place. L’accumulation des particules tout autour des pistes Cu du substrat céramique mais également autour des puces et des fils de bonding, i.e. dans toutes les zones de fort champ, a été démontrée. 
a) Modélisation du champ électrique entre 2 spires d’un moteur ; b) Calcul des chutes de tension sur chaque ligne de champ et comparaison avec la courbe de Paschen modifiée (Paschen like).
Démonstrateur de module de puissance avec encapsulation par FGM à gradient de permittivité : vues en coupe des zones protégées autour des puces et des fils de bonding grâce à une plus forte concentration de particules de BaTiO3.

MOYENS SCIENTIFIQUES

Alimentations / Sources

– Alimentations haute tension DC (3kV, 6.5kV, 10kV, 60kV, 100kV)
– Amplificateur haute tension (30kV, 20mA)
– Générateur impulsions haute tension (1.7kV, 50A)
– Source-mètre

Bancs de mesure

– Spectroscopie diélectrique large bande (1µHz-10MHz, -150°C à 400°C)
– Module haute tension pour la spectroscopie diélectrique (3µHz-10kHz, 2kV)
– Mesure de conduction isolation câbles (1kV, 200°C)
– Résistivité volume et surface ASTM D-257 (1kV, 25°C)
– Mesure 4 points faible résistivité (<µOhm)
– Mesure de potentiel de surface (3kV DC, 20kV AC/DC)
– Mesure de décharges partielles (15kV et 40 kV, 15kVA, <1pC)
– Mesure de décharges partielles avec enceinte dépression (10kV, 50Hz-400Hz, 1mbar-1bar)
– Rupture diélectriques solides, haute température (25°C-250°C, 300kV DC, 100kV AC)
– Rupture diélectriques liquides IEC 156 (25°C, 75kV)
– Banc de mesure de diffusivité thermique Laser Flash (LFA) + DSC (25°C-500°C)
– Système de mesure d’impédance thermique transitoire T3STER

Autres moyens

– Station sous pointes avec système de chauffage et instrumentation associée
– Station sous pointes haute tension haute température sous vide (40kV DC, 340°C, 1e-5 mbar)
– Banc de vieillissement/durée de vie des systèmes d’isolation sous contraintes MLI (dV/dt >10kV/µsec) et thermiques (<200°C)
– Salle de vieillissement thermique de matériaux (étuves 250°C, fours 450°C, fours 900°C)
– Mélangeur micro-fluidique
– Mélangeur planétaire sous vide
– Banc de test modulaire sous impulsions « choc de foudre » (ondes 8/20µs,10/350µs et 10/1000µs)

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