Présentée par E. OBAME Co-dirigée par F. Aitken et O. Gallot-Lavallée Développement d'un dispositif de calorimétrie par rayonnement thermique: application à la mesure des pertes dans les composants électriques Présentée par E. OBAME Co-dirigée par F. Aitken et O. Gallot-Lavallée Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Contexte Contraintes thermiques / composants électriques Origines Milieu environnant Pertes de puissance Conséquences Vieillissement et durée de vie Rendement Comportement thermique Estimer les pertes (ex. modélisation numérique) Mesurer les pertes (ex. approches calorimétriques et électriques) T=-55 à +150°C U= jusqu’au kV f= jusqu’au MHz 5 W>Pertes> 5mW 1 cm 5 cm Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Contexte Méthodes de mesure Méthodes électriques (méthodes indirectes) Avantages: facilité d’utilisation; reproductibilité des mesures; précises à basse fréquence et en continu Limites: gamme de fréquence; déphasage i/v proche de /2; signaux riches en contenu harmonique Méthodes calorimétriques (méthodes directes) Avantages: précisions; signaux d’alimentation quelconques Limite: durée des mesures (de l’ordre de 1h) Méthodes calorimétriques t u(t)  u(t) Méthodes électriques û f Les méthodes calorimétriques semblent mieux adaptées Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Contexte Dispositifs calorimétriques antérieurs Calorimètres Mode d’échange Gamme de température Gamme de puissances Précision Géométrie composant Adiabatique [Ritchie2004] convection / eau ambiante à 80°C 1 à 50 W ±10 mW (< 10W) à 30°C quelconque Isopéribolique [Buttay2004] convection / huile ambiante 3 à 130 W ±5 % flux de chaleur [Chen2002] conduction < 50 W > ±180 mW 1 face plane Isotherme [Seguin1997] -45 à +85 °C 30 mW à 700 mW 1,5 % cylindrique Isotherme [Objectif] rayonnement -50 à +150°C 5mW à 5W ±1mW Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Sommaire Principe général de la mesure Architecture du calorimètre Constitution Modèle analytique Capteurs et éléments chauffants Comportement thermique de la cellule de mesure Gradients thermiques Réponse thermique Caractéristiques du calorimètre Étendue de mesure Précision de mesure Conclusions et perspectives Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Principe général de la mesure Amenées de courant Isolation Puits de chaleur (Thermostat) Fonctions à réaliser -Isolation -Puits de chaleur -Système isotherme -Vecteur de chaleur Perturbations Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Support Fuites T0 T0 P0 P1 Régulation Régulation Pertes Pertes=P0-P1 Système isotherme Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Constitution du calorimètre Plaque de Styrodur® Collaboration SERAS -Philippe Jeantet -Emmanuel Roy -Patrick Trévisson -Gilles Pont -Grégor Kapoujyan -Pierre Hostachy -Gilles Perroux enceinte à vide et écran radiatif E Réservoir LN2 Puits de chaleur Isolation 1100 mm Ecran H Cellule de mesure (système isotherme) et le composant Support de la cellule Vecteur de chaleur Thermalisation 300 mm Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Thermalisation des amenées de courant Thermalisation sur la cellule de mesure Pièce en cuivre Demi-sphère fixe (Cellule de mesure) Plaque de cuivre Plaque de thermal Clad® Amenée de courant Soudure à l’étain Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Constitution du calorimètre Modèle analytique -faisabilité -choix des matériaux -sensibilité théorique Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Modélisation analytique du calorimètre Régime stationnaire Hypothèses du modèle -le calorimètre de géométrie cylindrique -surfaces isothermes grises et parfaitement diffusantes -supports et amenées de courant constituent des résistances thermiques de conduction -composant à tester est de géométrie sphérique -propriétés thermiques = f(température) Système: 12 équations non linéaires: résolution numérique Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Constitution du calorimètre Ratio théorique Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Ratio r / t émis par le composant (théorie) Ratio en fonction de la température de la cellule pour différente nature de l’amenée de courant en cuivre ou en constantan t=100 mW Support cellule en époxy fibre de verre Emissivité du composant = 1 r/ t>99,8 % r/ t>97,6 % T fuites r t Le rayonnement est prépondérant devant les fuites thermiques par conduction dans la cellule de mesure Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Constitution du calorimètre Support de la cellule Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Influence du support sur la dynamique de la cellule Dynamique pour différents matériaux constituant le support de la cellule Dynamique de la cellule de mesure et comparaison avec la théorie Support en époxy fibre de verre Dynamique lente (-20 °C/ 52 heures) Amélioration de la dynamique avec support est bon conducteur Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Constitution du calorimètre Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P0 – P1+ P P0 P1 Régul T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Régulateur de température Régulateur PID: PTC10 -plage de température: -200 °C à +550 °C -résolution:  10-3 °C, précision ±3.10-2 °C -sortie 4 Pt en connexion 4fils -puissance maximale en sortie: 50 W Schéma de régulation P D I H T sortie Capteur Pt100 Mesure T Consigne Tref Erreur (t) Commande u Fonction de transfert du procédé Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P0 – P1+ P Amenée de courant (théorique) P0 P1 Régul T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Amenées de courant (section du fil = 1 mm2, L = 11 cm) Profil de température dans l’amenée de de courant ( = 0,97, Tcomp-Tcell = 2 K ) Profil du flux par conduction dans l’amenée de courant T composant RI2=0,02 mW I=100 mA RI2=0,1 mW T cellule RI2=0,55 mW Le constantan limite les fuites par conduction et favorise donc l’homogénéisation thermique de la cellule Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P0 – P1+ P P0 P1 Régul Sensibilité théorique T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Sensibilité théorique du calorimètre la variation T de la température de la cellule pour différents flux Q1 émis par un composant en fonction de la température de la cellule Température de consigne +T Diminution de T avec T cellule, T = 1,3.10-3 K pour Q1=0,1 mW à 500 K -Support cellule en époxy fibre de verre -Emissivité du composant = 1 Q1 Mesurer des faibles pertes de puissance nécessite de détecter une variation T< 10-3 K Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P0 – P1+ P P0 P1 Régul T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Instrumentations Dispositifs de mesure de température Thermocouples de type K Température < +250 °C Ecran E TV1 TV2 TH TE2 TE1 Enceinte à vide Capteurs Pt100 (=2 mm, L=6 mm) Tolérance 1/3 DIN B (-70 à +250 °C) -200 °C à +800 °C 5mm AA M2 Cellule 2,1mm A M1 M2 M3 F1 F2 F3 T = 1 °C T= 2 °C T< 0.15 °C Ecran H Surfaces quasi-isothermes Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Instrumentations Dispositif de chauffage de la cellule Mise en œuvre du fil chauffant dans la cellule de mesure Fil chauffant (=1 mm) Partie froide (0,1 m de long en Cu) Partie chaude (1,1 m de long en Nc) -résistance électrique du fil = 75  -puissance linéique maximale = 100 W/m -température maximale = 600 °C Collage avec Stycast black® et laque d’argent Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Gradients thermique sur la cellule: fil chauffant vide Frontière du milieu ambiant avec T imposée Surface interne Surface externe f1 f2 f3 Cellule Simulation par éléments finis sur flux2D Température le long du chemin AC en fonction de l’abscisse r parcourant AC de A vers C A B C T=T(C)-T(A) = 0,037 °C Position du fil chauffant Cellule Fil chauffant f3 Rainure A B C F3 Coupe localisée sur le fil chauffant Image caméra IR Observation expérimentale des gradients thermiques Profondeur des sondes Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Réponse thermique de la cellule (composant actif) Evolutions de la puissance et de la température Support de la cellule est en acier inoxydable Pinj = 103,3 mW Temps de stabilisation -puissance = 1 h -température = 2 h Fluctuations: -puissance = ±10 mW -température = ±0,2 mK Fluctuations réduites à 1 mW avec la puissance moyenne Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques du dispositif Support Cellule Etendue de la puissance mesurable et plage de température Evolution de la puissance de régulation en fonction de la température de la cellule Evolution de la puissance de régulation pour différents matériaux du support de la cellule Puissance de régulation Température de consigne Pertes Mesure possible si puissance de régulation  Pertes Support en époxy fibre de verre Elargissement de la gamme avec la conduction du support Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques du dispositif Composant test (purement résistif) Tube en cuivre Fil de constantan (=0,1 mm) 30 mm 20 mm 1 mm Résistance = 1047,2  -indépendante de la température Emissivité variable: -peinture noire (0,97) -scotch kapton (0,78) -scotch cuivre (< 0,1) Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques du dispositif Mesure de la puissance dissipée en fonction de la température de la cellule Support cellule en époxy fibre de verre Surface peinte en noire Puissance mesurée indépendante de la température de la cellule de mesure Bonne stabilité en température Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques du dispositif Précision de mesure Le support de la cellule est en époxy fibre de verre Puissance injectée [mW] Précision [%] -20 °C à +70 °C +80 °C à +150 °C 13,7 5 11,5 100 2,1 500 0,9 1,3 1000 2 Bonne précision de mesure Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques du dispositif Précision: Influence de la nature du support de la cellule Précisions entre -30 °C et +100 °C Puissance injectée [mW] Epoxy fibre de verre Acier inoxydable 304 L Cuivre Cu-b1 13,7 11,5 % 19,7 % xxx 100 2,1 % 11,7 % 24 % 500 1,3 % 4,7 % 4,5 % 1000 2 % 3 % 4,3% Meilleure précision de mesure avec l’époxy fibre de verre Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Conclusions et perspectives Précision = 5 % (±0,7 mW) pour 13,7 mW dissipée (-20 °C à +70 °C) (équivalent à Tan δ=10-3 @ f=1 kHz, C=0,3 µF, U=85 V ) Dynamique thermique de la cellule est lente et peut être améliorée avec la conductivité de son support d’accrochage au réservoir Etendue de mesure (température): -50 à +150 °C La précision est améliorée avec la puissance mesurée et selon que le support de la cellule est « mauvais » conducteur thermique Tension appliquée au composant: 3 kV RMS (forme quelconque) Géométrie des composants est quelconque ( jusqu’à 1 kg) Déclaration d’invention brevet [FR N°1055474 2010-07-13] Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Conclusions et perspectives Eliminer une partie du bruit et les fluctuations de la régulation par un traitement de signal approprié (prévoir un filtrage pour gagner en précision) Mesurer l’émissivité du composant testé (mesures sans contact avec des fibres optiques) afin de remonter à sa température Définir l’étendue de mesure en fréquence du calorimètre Prendre en compte les problèmes de compatibilité électromagnétique du système Améliorer la réponse thermique de la cellule (diminution de la masse) Placer le dispositif calorimétrique dans une ambiance contrôlée (en théorie une variation de 1 °C de la température ambiante conduit à un P=2 mW sur la cellule) Réaliser des adaptateurs pour des connexions multi-phasées Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Remerciements -Pôle technique MDE G2elab -SERAS -Pôle Capteurs thermométriques et calorimétrie -Pôle Optique Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Conclusions et perspectives Merci pour votre attention ! Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Stabilité de la puissance de régulation dans le temps Puissance moyenne fournie par la régulation en fonction du temps La puissance moyenne décroit dans le temps. Comment rendre la régulation plus performante? Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Résultats Influence du support d’accrochage de la cellule Puissances injectées = 500 et 1000 mW Puissance injectée = 103,3 mW Les variation de P/P sont plus importantes avec un support d’accrochage en cuivre Variation satisfaisante pour T  75 °C (5 %) avec un support d’accrochage en cuivre Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques de mesure du dispositif Précision des mesures Le support de la cellule est en acier inoxydable 304 L Puissance injectée [mW] Précision (T: température de la cellule de mesure) 13,7 13 % pour -30 °C  T < 80 °C et 19,7 % pour T  80 °C 103,3 5% pour -30 °C  T < 70 °C et 11,7 % pour T > 80 °C 503,4 2% pour -30 °C  T < 70 °C et 4,7 % pour T  80 °C 1005,5 2,5% pour -30 °C  T < 100 °C et 3 % pour T = 100 °C Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Instrumentations Dispositifs de mesure de température Essais en statique Essais en dynamique Sondes (Pt100) Temp. LN2 (-196 °C) Temp. amb (17,9 °C) 1 (M1) -195,900 17,938 2 (M2) -195,892 17,89 3 (M3) -195,850 17,91 4 (F1) -195,853 17,983 5 (F2) -195,880 17,910 6 (F3) -195,890 17.92 Ecarts : 0,1 °C Ecarts de températureentre les sondes < 0,1 °C Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Gradients thermiques sur la cellule: support Influence du support de la cellule Support Cellule Ecart de température T = T(F1)-T(F3) en fonction de la température de la cellule Ecart de température T = T(M1)-T(M3) en fonction de la température de la cellule Les écarts sont compris à l’intérieur de 0,2 °C Les gradients restent donc faibles dans tous les cas Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Réponse de la cellule Régulation active (support inox 304 L) Evolution de la température de régulation Evolution de la puissance de régulation T init T fin La température est stabilisée au bout de 3 heures de régulation Variations de la puissance de régulation faibles au bout de 3 heures Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques de mesure du dispositif Précision des mesures Le support de la cellule est en acier inoxydable 304 L Puissance injectée [mW] Précision [%] -30 °C à 70 °C 80 °C à 100 °C 13,7 13 % 19,7 % 103,3 5 % 11,7 % 503,4 2 % 4,7 % 1005,5 3 % La précision augmente avec la puissance injectée Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Caractéristiques du dispositif Influence de la température de la cellule sur: P/P (support en acier inoxydable) « Faibles » puissances « Fortes » puissances Les variations de P/P diminuent avec la puissances injectée P/P augmente au dessus de 70 °C (fluctuation de la régulation) Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Contexte Principe de la calorimétrie 1. Principe de l’égalité des échanges de chaleurs QA+QB = 0 2. Réversibilité des transformations Q A B Système isolé Thermostat -Adiabatique -Quasi adiabatique -A flux de chaleur -Isotherme Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Comparaison des mesures entre le calorimètre et un analyseur d’impédance Spectre de la résistance parallèle d’un condensateur Spectres en fréquence de Rp Analyseur d’impédance Programma IDA 200 ® Condensateur Modèle // Rp Cp Interprétation… Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Constitution du calorimètre Plaque de Styrodur® Modèle analytique enceinte à vide et écran radiatif E Réservoir LN2 Puits de chaleur Isolation Ecran H Cellule de mesure (système isotherme) et le composant Support de la cellule Vecteur de chaleur Ratio théorique Thermalisation Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Calorimètre de Ewen Ritchie Echangeur thermique Dispositif sous test Résistance chauffante Résistance chauffante Tad Tref Système de réfrigération Débit mètre Pompe Valve de sécurité Réservoir d’eau Tamis B A S R Thermostat TS TTh Pertes = DMcpT+kA TF Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Calorimètre de Cyril Buttay Mesure de température TB Alimentation et commande du dispositif sous test Enceinte quasi adiabatique dispositif sous test Flux thermique Bain d’eau à température Te constante Bain d’huile A B Pertes = CTHT/t Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Calorimètre de Gang Chen Alimentation Régulateur de température Résistance chauffantes Composant à tester Plaque I B Plaque II Module thermoélectrique Thermopile Echangeur de chaleur Ecrans radiatifs Fibre de verre Bloc calorimétrique Pertes = KE Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

Calorimètre de Bruno Seguin T0=-196°C RTH1 RTH2 T1 TB Reg1 Reg2 Consigne T2-T1 T2 A0 A1 A2 C1 C0 P0 P1 Ecrans thermiques Enceinte à vide Condensateur de puissance A Réchauffeurs Réservoir d’azote liquide Cellule de mesure B Pertes = P0-P1 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010