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Auteur(s)
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Jacques LECLERCQ : Ingénieur de l’École des Hautes Études Industrielles et de l’Institut Supérieur des Matériaux et de la Construction Mécanique - Licencié ès Sciences - Chef de Service à la Société GEC ALSTHOM Transport (Établissement de Villeurbanne)
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La fabrication des composants semiconducteurs de puissance, éléments de base des convertisseurs, nécessite la mise en œuvre successive de divers procédés. Les couches de concentrations variées en impuretés de dopage, nécessaires à la formation des jonctions, peuvent être obtenues, en partant du matériau de base 1.1, soit par la formation d’une surcouche de composition appropriée, soit par diverses techniques d’introduction des impuretés 1.2. Puis, après traitement de la surface et préparation des prises de connexion 1.3, le composant est généralement encapsulé dans un boîtier 1.4, afin d’être intégré aisément dans un convertisseur.
Chacun sait que tous les dispositifs électriques en fonctionnement sont le siège de pertes d’énergie qui se manifestent par la production de chaleur. Celle‐ci doit être évacuée pour éviter que la température des composants n’atteigne des valeurs intolérables. Après un rappel succinct des lois de base de la thermique 2.1 et 2.2 sont décrits les principaux systèmes de refroidissement utilisés dans les convertisseurs électroniques de puissance 2.3, avant de conclure sur le calcul des échauffements 2.4.
Les convertisseurs électroniques de puissance sont, par nature, des constituants des équipements de distribution d’énergie électrique, dans lesquels ils assurent une fonction particulière de réglage progressif d’une ou plusieurs grandeurs de sortie (courant, tension, fréquence...). Aussi leur réalisation s’apparente‐t‐elle, dans une large mesure, à celle de ces équipements 3.
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Refroidissement des composants de puissance1. Technologie des composants semiconducteurs de puissance
1.1 Matériaux de base
Corps simple le plus répandu à la surface de la terre, après l’oxygène, le silicium (Si) est incontestablement le matériau de base des composants semiconducteurs de puissance. Il a supplanté le germanium (Ge), pourtant déjà bien implanté, dans les années 60, et il semble avoir encore de belles années à vivre. L’arséniure de gallium (GaAS) présente sur lui quelques avantages, une plus grande mobilité intrinsèque et une bande interdite plus large lui permettant de fonctionner à des températures plus élevées. Bien que la littérature soviétique mentionne, dès 1978, la réalisation de thyristors à base de GaAs, ce matériau est, pour le moment, réservé à la réalisation de dispositifs particuliers en microélectronique rapide.
Le tableau 1 présente quelques propriétés du Si, en comparaison avec celles du Ge et de l’GaAs. Dans la dernière colonne sont indiquées les valeurs correspondantes pour la silice (SiO2) , complément inséparable du silicium dans de nombreux dispositifs. On trouvera des renseignements complémentaires, dans ce traité, article Composants semiconducteurs de puissance [25] ; dans le traité Électronique, article Physique des dispositifs électroniques [26] et dans les références bibliographiques [1] [2] [3] [7].
On remarque notamment la masse volumique relativement faible du silicium (inférieure à celle de l’aluminium), sa bonne conductivité thermique (meilleure que celle du fer), son faible coefficient de dilatation thermique (beaucoup plus faible que celui du cuivre par exemple, mais cependant encore 5 fois plus élevé que celui de la silice).
HAUT DE PAGE1.1.2 Élaboration du silicium monocristallin
Le silicium n’existe jamais à l’état natif, mais essentiellement sous forme de silicates ou de silice, le quartz en étant une des formes les plus courantes. À partir de la silice, on obtient du silicium de qualité...
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