MDCE – MATERIAUX DIELECTRIQUES DANS LA CONVERSION D’ENERGIE

PRÉSENTATION

Le groupe Matériaux Diélectriques dans la Conversion d’Énergie mène des travaux de recherche sur les matériaux isolants et diélectriques et sur les technologies d’intégration 3D pour la conversion de l’énergie électrique.

Ces travaux se situent dans le contexte d’une nécessité forte de réduction du volume et de la masse des systèmes de conversion d’énergie, ainsi que de leurs pertes. Cette nécessité entraîne en pratique une volonté d’augmentation des niveaux de tension et de densité de puissance, de réduction des dimensions et d’emploi de nouveaux composants dits ‘grand gap’. Qu’il s’agisse de machines électriques ou de convertisseurs statiques, cela conduit immanquablement à une augmentation des contraintes sur leurs différents constituants. Certains de ces dispositifs sont de plus appelés à fonctionner sous conditions sévères nouvelles, telles qu’à basse pression, haute température ou très haute tension.

De façon globale, les activités de recherche du groupe MDCE s’inscrivent dans une démarche qui va de la compréhension des mécanismes physiques jusqu’au développement d’outils et méthodes de caractérisation et conception, en passant par l’élaboration de matériaux et de technologies. Elles permettent alors d’une part d’améliorer la connaissance, et d’autre part de proposer des solutions innovantes d’isolation et d’intégration 3D des fonctions de conversion d’énergie, dans le but de répondre aux besoins d’efficacité énergétique et de fiabilité des futurs systèmes à haute densité de puissance ou à tenue en tension très élevée.

Ainsi, quatre axes principaux structurent les travaux du groupe MDCE, traitant des mécanismes physiques et de la corrélation propriétés/matière, des mécanismes de dégradation et de vieillissement, des procédés d’élaboration de matériaux et technologies d’intégration 3D des composants actifs et passifs, et finalement des méthodes de caractérisation et conception ainsi que la validation sur démonstrateurs.

THÉMATIQUES DE RECHERCHE

Axe 1 : Compréhension des mécanismes physiques, corrélation structure de la matière/propriétés

Comportement électrique des matériaux sous fort champ et/ou haute température :

o Matériaux polymères, céramiques :

Caractérisations / Modélisation multi-contraintes (électrique, thermique, mécanique et environnementales) – Mécanismes de polarisation diélectrique, conduction électrique, conduction thermiq

                  (Phénomène de relaxation diélectrique détecté à travers les pertes diélectriques)

o Nouveaux matériaux micro- et nano-composites :

Particules isolantes (BN, SiO2, Si3N4, AlN), à forte permittivité (SrTiO3, BaTiO3), non-linéaires (SiC, ZnO) ou conductrices (graphène, nanotubes de carbone) – – Mécanismes de polarisation diélectrique, conduction électrique, conduction thermique

                  (Polyimide film et Polyimide/BN nanocomposites à propriétés diélectriques renforcées)

Nanocaractérisation des zones d’interphase dans les matériaux nanocomposites

La taille nanométrique des charges dans une matrice organique implique une large surface spécifique et donc une large zone d’interaction entre la matrice et les nanocharges. Cette dernière, appelée interphase, joue un rôle prépondérant dans la modification des propriétés du nanocomposite et devrait être caractérisée à l’échelle nanométrique. Plusieurs modes dérivés de la microscopie à forces atomiques (AFM) sont utilisés pour sonder les propriétés, à la fois mécaniques et électriques, de l’interphase (dimensions, permittivité et conductivité). Dans ce cadre, des protocoles de mesure rigoureux sont mis en place pour une caractérisation avec une résolution de l’ordre de 5 nm. Les propriétés mesurées de l’interphase, considérée comme un constituant supplémentaire dans le nanocomposite, sont essentielles pour la compréhension des propriétés finales de ce matériau et constituent des paramètres d’entrée fiables pour la modélisation de ses propriétés.

Conduction électrique d’hydrogels composites intégrant des nanotubes de carbone

Impact de paramètres d’élaboration– Modélisation des mécanismes de conduction

Axe 2 : Compréhension des mécanismes de dégradation et vieillissement

Fort champ électrique – Conduction filamentaire – Rupture thermique – Emballement thermique.

(Phénomène de conduction filamentaire de pré-rupture diélectrique d’un film isolant polyimide sous fort champ électrique observé par thermographie IR rapide)

• Compréhension des mécanismes de rupture diélectrique dans les céramiques
Identification et quantification des paramètres clés pour décrire la rupture diélectrique électro-mécanique de matériaux céramiques. Prise en compte des propriétés mécaniques et des défauts structuraux. Dévelopement spécifique d’un banc de contraintes combinées électrique et mécanique.

• Compréhension de mécanismes d’initiation de décharges
Impact de la nature des matériaux (rôle des coefficients d’émission électronique secondaire) – Impact de la pression, de la température – Etude des décharges ou micro-décharges sur des distances très faibles.

Axe 3 : Elaboration de matériaux fonctionnalisés et de technologies d’intégration 3D

• Procédés d’élaboration de matériaux composites fonctionnalisés

o     Mise en œuvre de polymères micro-composites à gradient de propriétés élaborés par (di)électrophorèse
Composites « à façon » par structuration sous champ E – Gradient de propriétés, Non linéarité en champ électrique – Nouveaux concepts d’encapsulation pour le packaging

(Encapsulation de métallisation de substrat DBC avec un composite époxy-SrTiO3 de type FGM à gradient de permittivité structuré par électrophorèse sous champ DC)

o Mise en œuvre de substrats céramiques composites, architecturées
Composites en AlN intégrant une poche nanocomposite à conductivité contrôlée – Propriétés électriques, thermiques de nano-composite AlN/MCG (graphène multi-couche) – Anisotropie – Nouveaux concepts de substrat isolant métallisé pour le packaging de module de puissance.

• Technologies pour l’intégration 3D en électronique de puissance

o Interconnexions 3D à base de nano-poteaux Cu
Elaboration par voie électrolytique, compatible avec un environnement PCB – Caractérisation électrique et thermique de résistance de contact – Méthodes de mesure de films métalliques de résistivités faibles – Méthode de détection de défaut d’assemblage.

(Nano-poteaux de cuivre pour l’interconnexion 3D en environnement PCB)

o Technologie d’isolation à matrice polymère auto-réparatrice
Matériau à propriétés mécaniques auto-réparatrices -Procédé compatible avec un environnement PCB – Caractérisation des propriétés diélectriques et mécaniques -Application dans une structure d’assemblage 3D.

Axe 4 : Outils et méthodes de caractérisation et conception – Démonstration de nouveaux concepts

• Méthodologie de prédiction de durée de vie multi-contraintes des isolants sous régime de décharges partielles (DP)
Méthode de prédiction des durées de vie des matériaux du système d’isolation des machines basse tension, basée sur les plans d’expériences : grâce au modèle développé avec des tests de vieillissement courts multi-contraintes (température, tension, fréquence), nous avons pu prédire avec précision les résultats de tests significativement plus longs. De plus, la méthodologie proposée permet de prédire la dispersion des essais longs en se basant sur la dispersion des résultats accélérés.

• Méthodologies de conception adaptées aux systèmes d’isolation électrique

o Design de système d’isolation de convertisseur (tournant et statique) exempts de décharges partielles (DP)
Méthode permettant la prise en compte du phénomène de DP dans l’étape même de conception du système d’isolation électrique des dispositifs, en prenant en compte également les interactions avec les autres équipements du système.

(Modélisation du champ électrique entre fils dans une encoche de machine)

o Prise en compte des propriétés des matériaux diélectriques et formes d’ondes électriques spécifiques
Méthodologie de simulation par E.F. permettant la prise en compte des effets des phénomènes de relaxation diélectrique sur la réponse du système d’isolation sous excitations quelconques dans le domaine temporel. Elle est appliquée à la simulation de matériaux diélectriques à haute température et de matériaux à conductivité non linéaire pour la conception de système d’isolation de modules de puissance haute tension.

• Démonstrateurs de nouveaux concepts de systèmes d’isolation sous fort champ

o Démonstrateur d’un bras d’onduleur de module de puissance HV à IGBT/Diode Si 6,5kV encapsulé par matériau FGM époxyde à gradient de permittivité

MOYENS SCIENTIFIQUES

• Démonstrateurs de nouveaux concepts de systèmes d’isolation sous fort champ

– Banc spectroscopie diélectrique large bande (1Hz-10MHz, -150°C à 400°C)
– Module haute tension pour la spectroscopie diélectrique (3μHz-10kHz, 2kV)
– Moyens de mesure de conduction sous température échantillons plans (250°C)
– Banc mesure conduction isolation câbles (1kV, 200°C)
– Banc mesure résistivité volume et surface ASTM D-257 (1kV, 25°C)
– Banc mesure 4 points faible résistivité (<Ohm)
– 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 mesure de potentiel de surface (3kV DC, 20kV AC-DC)
– Banc de mesure de décharges partielles (15kV et 40 kV, 15kVA, <1pC) – Bancs de mesure de décharges partielles avec enceinte dépression (10kV, 50Hz-400Hz, 1mbar-1bar)
– Banc de rupture diélectriques solides, haute température (25°C-250°C, 300kV DC, 100kV AC)
– Banc rupture diélectriques liquides IEC 156 (25°C, 75kV)
– Banc de mesure de diffusivité thermique Laser Flash (LFA) + DSC (25°C-500°C)
– Banc de vieillissement/durée de vie des systèmes d’isolation sous contraintes MLI (dV/dt >10kV/sec) et thermiques (<200°C)
– Salle de vieillissement thermique de matériaux (étuves 250°C, fours 450°C, fours 900°C)
– Alimentations haute tension DC (3kV, 6.5kV, 10kV, 60kV, 100kV)
– Amplificateur haute tension (30kV, 20mA)
– Générateur impulsions haute tension (1.7kV, 50A)
– Banc de test modulaire sous impulsions « choc de foudre » (ondes 8/20μs,10/350μs et 10/1000μs)
– Mélangeur micro-fluidique
– Mélangeur planétaire sous vide

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