Développement et caractérisation d’un démonstrateur Electronique de Puissance avec caloduc plastronique.

Le laboratoire Ampère (www.ampere-lab.fr) est une Unité Mixte de Recherche (UMR5005), sous tutelle de l'École Centrale de Lyon, de l'Université Claude Bernard Lyon 1, de l'INSA de Lyon et du CNRS. L’effectif est d’environ 200 personnes. Le doctorant sera accueilli sur le site de l'INSA de Lyon et intégrera une équipe interdisciplinaire composée d’électroniciens, de physicochimistes, et de spécialistes en plastronique. Il aura accès aux équipements du laboratoire (site INSA de Lyon), qui dispose de moyens de mise au point et d’impression de matériaux, ainsi que des instruments de caractérisation électrique et physicochimique.

L’électrification rapide des transports impose des convertisseurs de puissance plus légers, plus efficaces et plus compacts. L’utilisation de matériaux comme le nitrure de gallium (GaN) permet d’accroître la densité de puissance électrique, mais localise par ailleurs la quantité de chaleur à dissiper, donc avec un flux plus important. La gestion thermique devient alors un enjeu central : il faut transférer efficacement la chaleur depuis la petite zone active des transistors vers des surfaces de dissipation plus larges, tout en préservant la fiabilité du système.
Dans ce contexte, les systèmes de refroidissement à changement de phase, tels que les caloducs, apparaissent comme une solution particulièrement pertinente, car ils permettent d’extraire et de transporter la chaleur avec une efficacité bien supérieure à celle des dispositifs classiques, notamment à ailettes.
Pour exploiter ce potentiel, le laboratoire Ampère, en collaboration avec le CETHIL, ont développé un caloduc extrêmement léger grâce aux techniques plastroniques. Ce système a déjà démontré sa capacité à refroidir efficacement des composants électroniques de puissance [1,2].

L’objectif du stage est de développer un démonstrateur de caloduc plastronique intégrant un convertisseur hacheur séries à transistors GaN, puis d’en réaliser la caractérisation électrique afin d’évaluer ses performances et son comportement thermique. Le travail s’appuiera sur un premier dispositif déjà réalisé au laboratoire, ce qui offrira au stagiaire une base solide pour poursuivre le développement.

Les objectifs du travail :
- Optimiser le circuit électronique à transistors GaN actuel et réaliser la caractérisation électrique complète en vue de son intégration dans une nouvelle architecture caloduc plastronique imprimée en 3D :
     o  Mesures de puissance
     o  Évaluation des performances en fonctionnement réel
     o  Analyse de la dissipation thermique afin de comprendre le comportement du composant.

- Convertir le layout du circuit électronique actuel, conçu en 2D, en une architecture 3D pour développer un nouveau caloduc plastronique sur un polymère compatible avec une production industrielle. Le travail portera sur l’intégration du circuit dans ce dispositif, l’optimisation de sa conception, puis sa caractérisation électrique et thermique.

Références :
[1] T. Gerges, A. Marie, T. Wickramasinghe, P. Lombard, M. Levèque, S. Lips, V. Sartre, B. Allard, M. Cabrera, “Investigation of 3D printed polymer-based heat dissipator for GaN transistors”, 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'21 ECCE Europe), Ghent, Belgium (2021). https://doi.org/10.23919/epe21ecceeurope50061.2021.957019

[2] T. Gerges, A. Marie, T. Wickramasinghe, V. Semet, P. Lombard, S. Lips, V. Sartre, B. Allard, M. Cabrera, “3D printed polymer two-phase cooling system for power electronic devices. 16th European”, 16th European Advanced Technology Workshop on Micropackaging and Thermal management, Mar 2023, Poitiers, France. https://hal.science/hal-04032738

Etudiant de Master 2 ou d’école d’ingénieur spécialisé en électronique analogique. Des compétences en caractérisation électrique, conception électronique et mécanique constitueraient un plus. Aptitude indispensable à la réalisation de travaux expérimentaux.
Bon niveau de français et d'anglais. Excellentes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité.