esim
Mesure de la résistance thermique
d'un semi-conducteur de puissance
27/05/2001

 Présentation de l' ESIM 
    L' École Supérieure d'Ingénieurs de Marseille (ESIM), dépend de la Chambre de Commerce et d'Industrie de Marseille - Provence (CCIMP). C'est un établissement de formation (3 écoles d'ingénieurs), de recherche et d'assistance technologique pour les entreprises. C'est une des composantes de l'Institut Méditerranéen de Technologie (IMT), implanté au technopole de Château - Gombert à Marseille (200 laboratoires et ateliers, 3000 étudiants).
    La recherche au sein du groupe ESIM s'articule autour de 6 départements:
        - électronique et informatique industrielle,
        - électrotechnique, électronique de puissance et systèmes associés (EEPS),
        - mécanique et génie civil,
        - génie de la mer,
        - génie thermique,
        - conception de produits industriels.
    L' ESIM regroupe plus de 700 étudiants, 120 permanents, 200 enseignants vacataires.
Le sujet proposé fait partie des activités de recherche du département EEPS dont la fonction est de mettre au point de nouvelles structures dans le domaine de l'électronique de puissance et dans le contrôle - commande des machines tournantes.

 Présentation du projet 
    Les méthodes de mesure de la résistance thermique des composants semi-conducteurs de puissance (Transistors bipolaires, Mosfets, Thyristors, IGBT) sont basées sur l'utilisation d'un paramètre électrique thermo - sensible comme indicateur de la température de jonction (VCE dans le cas d'un IGBT). Le composant (IGBT), dont la grille est reliée au collecteur est plongé dans un bain thermostaté à une température T1 (30 à 70°C). Il est alimenté par un courant constant i1 (quelques mA à quelques dizaines de mA) qui produit un échauffement négligeable de la jonction. A l'équilibre thermique, la tension collecteur - émetteur VCE1 et la température T1 sont mesurées. Le composant est ensuite placé sur un refroidisseur infini et alimenté par i1 et par un courant périodique i2(t) rectangulaire (quelques dizaines d'A pendant 20ms puis nul pendant 500µs). L'amplitude de i2(t) est réglée de façon à obtenir VCE2 = VCE1 dès que i2(t)=0. La température T2 de la semelle du composant est alors mesurée à l'aide d'un thermocouple. La puissance dissipée dans le composant est calculée à partir des mesures directes de VCE et IC.
La résistance thermique est obtenue par Rth = (T1 - T2) / P

 Cahier des Charges 
    Il est demandé aux étudiants de BTS, de réaliser et assembler les éléments suivants:
        - générateur de courant réglable entre 0 et 100A.
        - générateur de courant réglable entre 0 et 100mA.
        - affichage numérique des tensions VCE1 et VCE2, avec mémorisation pour VCE1,
        - affichage numérique de la valeur de la résistance thermique obtenue après calcul,
        - archivage des valeurs sur l'outil informatique.


 Principe 
    Cette méthode de mesure de la résistance thermique des composants semi-conducteurs de puissance (Transistors bipolaires, Mosfets, Thyristors, Diodes, IGBT) est basée sur l'utilisation d'un paramètre électrique thermo - sensible comme indicateur de la température de jonction (VCE dans le cas d'un transistor bipolaire).

principe

    Le composant (transistor bipolaire), dont la grille est reliée au collecteur est plongé dans une ambiance thermostatée ( bain de Fluorinert, enceinte climatique...) à une température T1 (30 à 70°C). Il est alimenté par un courant constant i1 (quelques mA à quelques dizaines de mA) qui produit un échauffement négligeable de la jonction. A l'équilibre thermique, la tension collecteur - émetteur VCE1 et la température T1 (température de la jonction) sont mesurées.
 fluorinert

     Le composant est ensuite placé sur un refroidisseur infini et alimenté par i1 et par un courant périodique i2(t) rectangulaire (quelques dizaines d'A pendant 20ms puis nul pendant 500µs). L'amplitude de i2(t) est réglée de façon à obtenir VCE2 = VCE1 dès que i2(t)=0. Dans ces conditions la température de la jonction est donc T1, mesurée précédemment.

barre

graphe

    La température T2 de la semelle du composant est alors mesurée à l'aide d'un thermocouple. La puissance dissipée dans le composant est calculée à partir des mesures directes de VCE et IC .

P = VCE x IC

 P

 La résistance thermique est obtenue par : Rth = (T1 - T2) / P


 Réalisation 
    La réalisation a été faite autour d'une centrale d'acquisition HP 34970A, équipée des modules HP 34901A et HP 34907A.

 Schéma général 

schéma

 Alimentation 
    L'alimentation de puissance est réalisée à partir de 3 transformateurs monophasés. La protection est assurée par des fusibles aM 2A. Des voyants signalent la présence des phases. Un pont de Graetz monté sur dissipateur assure un redressement double alternance. Deux condensateurs de 15000uF assurent le lissage de la tension.

 alim

 Générateur de courant 10 - 50 - 100mA 
    Le générateur de courant faible est piloté par la Centrale à travers 2 photo coupleurs. L'alimentation des Leds des photo coupleurs est fournie par la sortie analogique 205. Les sorties 2020 et 2021 permettent de fixer une valeur du courant parmi les 3 possibles.

géné

 Étage Darlington de Puissance 
    La sortie analogique 204 de la Centrale fournit une tension de consigne réglable entre 0 et 10v. Cette tension de consigne (CI) pilote un générateur de courant 0 à 1A qui fournit le courant de base nécessaire au Darlington de Puissance. Le Darlington de Puissance délivre un courant réglable entre 0 et 100A.

darlington

 Étage MosFet 
    La sortie à collecteur ouvert 2027 de la Centrale pilote l'entrée du circuit IR2113, via un photo coupleur. Le Driver permet de fournir au MosFet un courant de Grille important, qui accélère ses commutations (fronts raides). Des diodes Zener de 15v placées tête-bêche protègent le Mosfet contre d'éventuelles surtensions.

driver

Plus sur le circuit IR 2113 ...

 Mesure du courant 
    La mesure du courant est faite sur les entrées différentielles 104+ et 104- de la Centrale (plage 0 - 10v). Le capteur de courant est un LEM de type LT100-P, dont les caractéristiques principales sont:
tension d'alimentation: +/- 15v (+/-5%)
courant nominal: 100 A eff
courant de sortie nominal: 100 mA
rapport de transformation: 1:1000
précision: +/- 0,5% à 25°C.

ti

 Mesure de la température et du Vce du composant en test 
    La mesure de la température est faite sur les entrées 101+ et 101-, à partir du signal délivré par un thermocouple de type K.
    La mesure de la tension Vce est faite sur les entrées 102+ et 102-.

vce

 Programmation 
        La programmation a été réalisée en Visual Basic. Vue de la feuille principale:

logiciel

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 Précautions particulières de câblage 
    - réaliser le câblage des "petits signaux" avec des câbles blindés et paires torsadées.
    - soigner les connexions "courants forts" pour diminuer au maximum les résistances de contact.
    - éloigner les circuits "courants forts" des "courants faibles".
    - faire attention à la prise de  mesure du Vce à "courant fort":

bon

mesure correcte

mauvais

mesure faussée par la chute de tension introduite par les résistances de contact Rc et le courant I

 

bon

mauvais

BON

MAUVAIS

vue interne du coffret

  W3C W3C W3C