Etude de la fatigue thermomécanique de modules à base de transistors MOSFET SiC et GaN dans les convertisseurs de puissance // Study of thermomechanical fatigue of SiC and GaN MOSFET transistor-based modules in power converters

Le sujet de cette thèse porte sur l'étude du phénomène de fatigue thermomécanique affectant les transistors MOSFET en SiC (carbure de silicium) et GaN (nitrure de gallium), utilisés dans les modules de puissance pour les convertisseurs de puissance embarqués dans les systèmes de motorisation terrestres, aéronautiques et marins. Ces technologies émergentes offrent des avantages considérables en termes de performance et de fiabilité, mais leur comportement en fatigue reste insuffisamment compris. Le manque de connaissances sur la fatigue thermomécanique de ces nouveaux composants contraint les utilisateurs à pratiquer des stratégies conservatoires comme le ”derating”, ou à limiter la durée de vie des modules. Une meilleure compréhension des mécanismes de fatigue permettrait d'optimiser leur fiabilité, de réduire les coûts et d'étendre leur application dans des environnements de plus en plus exigeants. Pour étudier ces phénomènes, cette thèse propose d'utiliser la modélisation par éléments finis pour réaliser des simulations électrothermomécaniques détaillées. Ces simulations modéliseront les effets des gradients thermiques et des contraintes mécaniques sur les transistors MOSFET, en prenant en compte les propriétés spécifiques des matériaux SiC et GaN. Le but est de mieux comprendre comment ces composants réagissent aux cycles thermiques et mécaniques répétés. Parallèlement, des bancs d'essai spécifiques seront développés pour valider les résultats des simulations. Ces bancs permettront de soumettre les transistors à des tests de fatigue sous des conditions contrôlées, représentant celles rencontrées dans les applications réelles. Les données expérimentales obtenues seront utilisées pour ajuster les modèles théoriques et améliorer la précision des calculs numériques. Le doctorant sera amené à présenter ses résultats lors de congrès scientifiques internationaux spécialisés en électronique de puissance, fiabilité des semi-conducteurs et modélisation multiphysique. Ces présentations permettront également de valoriser les contributions de la thèse et de renforcer la visibilité du laboratoire dans ce domaine.
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The subject of this thesis focuses on the study of the thermomechanical fatigue phenomenon affecting SiC (silicon carbide) and GaN (gallium nitride) MOSFET transistors, used in power modules for on-board power converters in land, aeronautical and marine propulsion systems. These emerging technologies offer considerable advantages in terms of performance and reliability, but their fatigue behavior remains insufficiently understood. The lack of knowledge on the thermomechanical fatigue of these new components forces users to practice conservative strategies such as derating, or to limit the lifetime of the modules. A better understanding of fatigue mechanisms would allow us to optimize their reliability, reduce costs, and extend their application in increasingly demanding environments. To study these phenomena, this thesis proposes to use finite element modeling to perform detailed electrothermomechanical simulations. These simulations will model the effects of thermal gradients and mechanical stresses on MOSFET transistors, taking into account the specific properties of SiC and GaN materials. The goal is to better understand how these components react to repeated thermal and mechanical cycles. In parallel, specific test benches will be developed to validate the simulation results. These benches will allow the transistors to be subjected to fatigue tests under controlled conditions, representing those encountered in real applications. The experimental data obtained will be used to adjust theoretical models and improve the accuracy of numerical calculations. The doctoral student will be required to present their results at international scientific conferences specializing in power electronics, semiconductor reliability, and multiphysics modeling. These presentations will also help to highlight the contributions of the thesis and strengthen the laboratory's visibility in this field.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Les compétences requises pour cette thèse couvrent plusieurs domaine tels que l'électronique de puissance, la thermique et la mécanique des milieux continus. Une solide maîtrise de la modélisation par éléments finis est indispensable, notamment pour réaliser des simulations électrothermomécaniques à l'aide de logiciels comme COMSOL Multiphysics ou ANSYS. Des connaissances en physique des semiconducteurs et en matériaux avancés (SiC, GaN) seraient un atout pour comprendre les phénomènes de fatigue thermomécanique et leurs effets sur les modules de puissance. Une expérience en conception d'expériences et en instrumentation de bancs de test est également requise pour la validation expérimentale des modèles développés. La programmation scientifique (Python, MATLAB) sera un atout pour le traitement des données et l'automatisation des analyses. Des compétences en thermomécanique seraient fortement appréciées.
The skills required for this thesis cover several fields such as power electronics, thermal engineering and continuous media mechanics. A solid mastery of finite element modeling is essential, particularly for carrying out electrothermomechanical simulations using software such as COMSOL Multiphysics or ANSYS. Knowledge of semiconductor physics and advanced materials (SiC, GaN) would be an asset to understand thermomechanical fatigue phenomena and their effects on power modules. Experience in experimental design and test bench instrumentation is also required for the experimental validation of the developed models. Scientific programming (Python, MATLAB) will be an asset for data processing and analysis automation. Skills in thermomechanics would be highly appreciated.