Avancées technologiques dans les systèmes diélectriques haute tension à forte conductivité thermique

30/08/2017
Publication REE REE 2006-6
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-6:19714
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Avancées technologiques dans les systèmes diélectriques haute tension à forte conductivité thermique

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Repères L'ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR Avancées technologiques '% a a 0'a dans les systèmes diélectriques haute tension à forte conductivité thermique Fabrice PERROT, lan JAMES AREVA T&D Technology Centre, Royaume-Uni fTinna Matériauxdiélectriques hautetension, Diélectriquescomposites époxy, Conductivitéthermique desdiélectriques, Diélectriques couléssous-vide, Extrusiondesdiélectriques 1. Introduction Les systèmes diélectriques haute tension à forte conductivité thermique sont de plus en plus utilisés dans les applications innovantes où une réduction de la taille ou une densité de puissance plus élevée est souhaitée. Cela a amené de nouveaux défis dans le domaine de la gestion des problèmes thermiques de systèmes et compo- sants de puissance. Dans la plupart des applications de puissance, la faible dissipation thermique est principale- ment basée sur les propriétés intrinsèques des matériaux isolants qui forment des barrières thermiques, et contra- rient un transfert de chaleur efficace. Par ailleurs, en plus de l'augmentation des densités de puissance, la miniaturisation des composants et systèmes poussent de plus en plus les matériaux isolants à suppor- ter des températures de fonctionnement plus élevées. Les matériaux isolants à forte conductivité thermique capables de résister à des températures au-dessus de lsoac en continu sont par conséquent très attrayants. Depuis plus de 10 ans, les matériaux isolants compo- sites à charge inorganique à forte conductivité thermique ont été de plus en plus utilisés (Réfs 1-5), surtout dans l'industrie électronique (packaging). Le tableau 1 recense les valeurs de la conductivité thermique d'une sélection de matériaux isolants organiques et inorganiques, ainsi que quelques métaux et matériaux rares. Ce tableau mon- tre bien que la plupart des matériaux couramment utilisés dans l'électrotechnique ont généralement une conducti- vité thermique inférieure à 1 W/Km. Les matériaux inor- ganiques isolants ont par contre une tendance à compor- ter une forte conductivité thermique bien que moins éle- vée comparée que celle des métaux comme l'aluminium, le cuivre et l'argent. Les propriétés thermiques des maté- riaux inorganiques sous forme de poudres (charges) sont donc idéales pour modifier les matériaux isolants conven- tionnels utilisés dans la plupart des applications de puis- sance. 2. Conduction thermique des solides La conduction thermique dans un matériau n'est pas seulement gouvernée par la structure du réseau atomique, mais aussi par ses électrons libres. Cela explique pour- y SYNOPSIS Cet articledécrit les dernièresavancéesdans le domainedes matériauxcompositesdiélectriquesà forteconductivitéthermique à based'époxyet chargeinorganiquepourapplicationhauteten- sion.Les caractéristiques,ainsique l'applicationde deux maté- riaux dielectriquescompositesà forte conductivitéthermique développésparAREVAT&DTechno ! ogyCentrey sontprésentées. Lepremiermatériaudiélectriqueest unsystèmecoulésousvide entredeuxsubstratset a uneconductivitéthermiquede 2 W/Km. Cesystèmeest utilisépourl'isolationde thyristordepuissanceet ne présenteaucunedéchargepartielle à 12 kVeffpouruneépais- seurde 1 mm.Le deuxièmeest un matériaudiélectriqueextrudé sous forme laminaireayant une conductivitéthermique de 6W/Km.Cesystèmea été développépourl'isolationde massede machinestournantesavecdestensionssupérieuresà 8 kVeff. Thispaperpresentsthe latest technologicaladvancesin compo- site dielectric materials withhighthermalconductivitybasedon epoxyand inorganicfillersfor highvoltageapplications.The cha- racteristics,as weil as applicationsof two compositedielectric materialswith highthermalconductivitydevelopedbyAREVAT&D TechnologyCentreare presented.Thefirstdielectricmaterialis a vacuumcastsystemsandwichedbetweentwo metalsubstrates witha thermal conductivityof 2 W/Km. This systemisusedto pro- videthe insulationfora powerthyristorheatsinkandis devoidof any partialdischargeat 12kVrmsfor a thicknessof 1 mm. The seconddielectric materialisextrudedinsheetformwith a thermal conductivityof 6 W/Km.This systemhasbeendevelopedfor the groundwall insulationof rotatingmachinescoilsat voltageshigher than8 kVrms. REE N 6/7 Juin/juillet 2006 Avancées technologiques dans les systèmes diélectriques haute tension à forte conductivité thermique Matériaux pertinents Epoxy/Polyester Mica Verre CeQuin EPAN (*) HTCDough(*) AP ? O2u3 SiC SN(hexagonal) AIN SeO Fe AI Cuivre Argent BN(cubic) Diamant (*) Conçupar ARE VA T&D Technology Centre. Conductivitéthermique (W/Km) 0,1-0,2 0,3-0,6 0,8-1,2 0,9 2 6 25-40 25-100 40-120 200 370 80 240 400 430 1300 2000 Tableau 7. Conductivité thermique de matériaux pertinents. quoi la plupart des bons conducteurs électriques sont aussi de bons conducteurs thermiques, principalement par l'intermédiaire des électrons libres. La conduction ther- mique à travers le réseau est gouvernée par le mouvement ou la diffusion des phonons (vibrations acoustiques de la structure cristalline), un mécanisme de conduction ther- mique dans les matériaux isolants. Les effets de disper- sion peuvent réduire la conduction thermique dans le matériau ; ils sont dus à la dispersion des interfaces entre réseau, aux défauts de réseau et de la concentration des impuretés. Les mêmes problèmes d'interfaces s'appli- quent aussi entre la matrice organique et la charge inorga- nique. Un lien inefficace entre la matrice et la charge peut entraîner une perte de conduction thermique dans le maté- riau. Aussi, les matériaux aux structures cristallines plus ordonnées ont tendance à avoir des conductivités thermi- ques supérieures aux matériaux à structure non ordonnée comme les matériaux thermodurcissables. A températures élevées, l'activité des phonons aug- mente et résulte de leur plus grande dispersion dans le matériau ; elle réduit donc la conductivité thermique. La théorie de percolation est maintenant reconnue pour expliquer le comportement des matériaux composi- tes où la matrice organique est modifiée par une charge inorganique [Réf. 1-3]. Dans ce cas, il y a un seuil au- dessus duquel la charge aura une influence sur les carac- téristiques du matériau composite. Dans notre cas, au niveau de la percolation, la charge inorganique forme dans la matrice organique des voies où la conduction ther- mique est plus élevée. L'efficacité du transfert des calories à travers un maté- riau à charge inorganique à forte conductivité thermique dépend d'un nombre de facteurs : . Taille, densité et géométrie de la charge . Taux de charge < Caractéristiques de la matrice organique/adhésion de la charge 3. Mesure de la conductivité thermique De nombreuses méthodes sont utilisées pour mesurer la conductivité thermique des matériaux. La méthode " hot wire transient " (IS08894-2) est une méthode où un fil chauffé est étiré à travers l'échantillon à mesurer. La conductivité thermique est alors basée sur l'évolution de la température de l'échantillon quand le fil est soumis à un flux thermique constant. La conductivité thermique peut aussi être mesurée par l'intermédiaire de la diffusi- vité thermique (méthode du flash laser). La conductivité thermique en W/Km est alors le produit de la chaleur spé- cifique en J/kgK, de la diffusivité thermique en M2/s et de la masse volumique en kg/m ". Les mesures de conductivité thermique effectuées sur les matériaux présentés ont été réalisées par la méthode du disque de Lees à une température constante. Dans cette technique, le matériau isolant à caractériser est placé entre deux disques métalliques sous forme de sandwich avec des thermocouples de chaque côté du diélectrique. Si la résistance thermique est : R dT.A x Q K (Voir le tableau 2 qui donne la signification des paramè- tres utilisés) Alors la conductivité thermique est : K Q x (1) dT A Le sandwich est alors placé entre deux colonnes en REE No 6/7 Juin/juillet 2006 Repères L'ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR cuivre, l'une chauffée au dessus du sandwich et l'autre refroidie en dessous. Les deux colonnes de cuivre qui comportent des thermocouples tous les 25 mm et le sand- wich ont le même diamètre. Le flux thermique Q, créé par la différence de température des deux colonnes, passe à travers le sandwich. Le gradient thermique de la colonne complète peut alors être mesuré une fois que la colonne a atteint un équilibre thermique (entre 90 et lOOC pour le sommet de la colonne chauffée). Dans ce cas: QtCu Q,Echantillon (2) En combinant (1) et (2), la conductivité du sandwich peut alors être déterminée suivant la relation : K Echantillon K Cu dTc u XEchantillon dxc u dTEchaiitilloii -, " '. . -'. ' .. ,< : \-. ;.. - " ,; :.. : : -.-, : : >,,'> ; : : " : :''. ; " '-' :'. ; - " - :',' ' : : -'-. : : ' :,' :' ' ". ; ;,-C..',' :'. "'< :" - : > ;,<,,', " -' : ;'.- : :,','Ij "'' : ;''- : :..',-,' : :,," " ; ; " - : ' :' " " ",'.-."'' ;'' ; : 0 ;'',-'','..- ,,'- ; -, ; ", : : -.,.... . '''. ;',. ; -,. "'- ; : ; :. : r :', ; >-II)" -.\.,. : : -.'. :.\',t' ;.., " ".,'' {f. : :'.c :. :', - " "'-. "'.' '-... ".. " * -...,,,-,,. ul, ,, - -...,' :... Yipl Figure 1. HTC Doi (gh. dTcu ou dxc représente le gradient de température de u la colonne en cuivre. Les unités sont spécifiées dans le tableau 2. Gradientdetempérature dT/dx °C/m Fluxthermique Q W Surfacedusandwich A m Épaisseurdel'isolant x m Résistancethermique R °C/W Conductivitéthermique K W/Km Conductivité thermique KC. 400 . ulvre ducuivre 1 1 Tableati 2. Unités. 4. Matériau extrudé (HTC Dough) HTC dough est un matériau extrudé sous forme de ruban à partir d'une pâte basée sur une combinaison de résines époxy hautement chargée de particules de nitrure d'aluminium (AIN). Les rubans peuvent alors être conso- lidés sous forme d'une feuille sur une grille de verre comme le montre la figure 1. La charge totale représen- tant autour de 83 % de la masse du matériau fini est com- posée d'une mixture de différents calibres de poudres d'AIN qui sont purifiées en plusieurs étapes avant leur mélange avec les résines époxy à l'aide d'un mixeur à lames de type'Z\ Le matériau ainsi réalisé subit alors un nombre de trai- tements thermiques pour lui donner la consistance finale avant son emploi pour l'application choisie. Ce matériau, conçu principalement pour l'isolement de masse des pôles bobinés des machines tournantes est caractérisé par une conductivité thermique de 6 W/Km à la température de 120'C pour une épaisseur de 1 mm et une température de service continu pouvant excéder 180°C. Dans cette application le matériau est polymérisé en sandwich entre les tôles du circuit magnétique du pôle et l'enroulement en cuivre où chaque conducteur est isolé par du verre. Bien qu'une grille de verre ait été utilisée pour contrô- ler l'épaisseur du diélectrique, des mesures ont démontré qu'une épaisseur donnée avant consolidation finale du matériau pouvait être établie pour tenir compte de la conformance du matériau entre pôle et l'enroulement pour obtenir l'épaisseur finale désirée sans l'aide d'une grille de verre. La figure 2 montre en détail la consolidation d'une feuille de HTC dough entre des conducteurs en cuivre isolés de fibres de verre et les tôles en fer à la géométrie très exagérée et ouverte pour analyser les propriétés de pénétration et la conformation d'une géométrie non-uni-pene forme durant la polymérisation de la feuille d'HTC dough. L'absence de porosité évidente et une excellente pénétration du diélectrique avant polymérisation peuvent être observées. On peut aussi remarquer que la grille de verre n'est pas nécessaire pour contrôler l'épaisseur finale du diélectrique. La figure 3 montre un exemple d'application d'isola- tion de masse d'un pôle d'une machine tournante en cours de bobinage. La photographie montre la bonne adaptation de la feuille d'HTC Dough à la géométrie du pôle avant le bobinage. Les résultats initiaux des mesures électrique, mécani- que et thermique faites sur HTC dough en sandwich entre deux électrodes de cuivre sont résumés dans la tableau 3. REE No 6/7 Juin/jLiillet 2006 Avancées technologiques dans les systèmes diélectriques haute tension à forte conductivité thermique i Cuivre Verre ;;v,+ :<;;dé...0--<';;:-,";",- ya * R [4 , q R 7 = Wr, ''2'ib, R gqqq9,rygà It " SS s. Ri S7 '0"'y "" ",-,.,' ¥ --, ",,,- ",w"',; ".":@î0; k;;Ci.. J I 1 '.¥" -111- ,l, ; ;_ f,;: : ...z:.. Figzere 6. EPAN /7 mm) entre plaques d'aluminium. tN S t7, Jd L r>^,. k Ï1 Si. Figure 7. Module thyristor isolé EPAN. côté du radiateur à une température de + 95°C en 6 minu- tes et de retour à + 25°C en 6 minutes avec un refroidis- sement par eau de l'autre côté du radiateur EPAN. Une pièce en cuivre montée avec des résistances chauffantes a été utilisée pour représenter le semi-conducteur de puis- sance et ainsi atteindre la température de + 95°C sur la face haute du radiateur avec une force compressive de 50 kN, représentative de la force appliquée sur le thyristor. Un essai de décharges partielles fut effectué avant les cycles d'endurances thermiques ainsi qu'à intervalles réguliers pour vérifier l'intégrité de la couche EPAN durant les essais. Les essais furent arrêtés après l'exécu- tion de 20 000 cycles. Aucun changement des caractéris- tiques électriques et thermiques n'a été détecté pendant et REE W 6/7 Juin/juillet 2006 après les cycles d'endurances thermiques. Les cycles de chocs thermiques ont été réalisés sur une période d'une semaine dans une enceinte spéciale pour ce genre d'essais qui est divisée en deux parties, la partie haute est maintenue à + 105°C et la partie basse à - 40°C. Dans l'enceinte, un plateau supportant l'échantil- lon peut se déplacer automatiquement entre la partie chaude et la partie froide. Chaque radiateur isolé EPAN, après application d'une contrainte en compression de 50 kN fut soumis à un maximum de 168 cycles de chocs avec pour chaque cycle un palier d'une heure à chacune des deux températures et des transitions d'approximative- ment 10 secondes. Un essai de décharges partielles fut effectué avant les chocs thermiques ainsi qu'à intervalles réguliers pour vérifier l'intégrité de la couche EPAN durant les essais. Sur les quatres radiateurs isolés par EPAN soumis aux cycles de chocs thermiques, aucune dégradation ou changement des caractéristiques électri- ques et thermiques n'a été détecté pendant et après les chocs thermiques. En plus des essais de décharges partielles, un système de sonde à ultrasons fut utilisé pour scanner la surface complète du radiateur isolé, et ainsi détecter d'éventuels décollements de la couche EPAN entre les deux plaques en aluminium. Cet essai fut réalisé avant et après les deux essais thermiques sur tous les échantillons. Aucune diffé- rence dans la qualité d'adhésion de la couche d'EPAN n'a été détectée pour tous les échantillons. 6. Discussion Deux matériaux diélectriques à forte conductivité thermique conçus pour des applications de puissance et de haute tension ont été présentés dans cet article. Le premier matériau (HTC Dough) peut être extrudé sous diverses formes en utilisant les techniques tradition- nelles d'extrusion, bien que certaines modifications soient nécessaires pour pallier les effets très abrasifs du matériau à extruder. L'élaboration de ce matériau ne présente néan- moins aucune restriction sur la grandeur des feuilles réali- sées, car la taille unitaire extrudée peut être réitérée et consolidée en une plus grande feuille. Les travaux initiaux ont démontré que le matériau HTC dough se conforme très bien aux géométries classiques d'isolation de masse de pôle de machines tournantes. Les caractéristiques électri- ques, mécaniques et thermiques montrent aussi que le matériau semble très bien adapté pour améliorer les dissi- pations thermiques des machines tournantes, et ainsi aug- menter leur densité de puissance. Un bon nombre d'appli- cations est envisageable dans le cas où une source de puis- sance ne peut pas être dissipée effectivement du fait de la barrière thermique que forme le diélectrique. Le deuxième matériau (EPAN) a une plus faible conductivité thermique que le premier (HTC Dough) ; cela est dû au fait qu'il est coulé sous vide et a donc un plus faible taux de charge et une sédimentation des parti- cules de charge plus prononcés. Les deux matériaux sont formulés avec une charge contenant un mélange de diffé- rents calibres de poudres de nitrure d'aluminium (AIN). Le taux de charge est de 76 % par poids pour EPAN et 83 % par poids pour HTC Dough. Des essais extensifs de cycles d'endurance et de chocs thermiques ont été effectués sur un nombre de radiateurs isolés EPAN (soumis à une contrainte en compression de 50 kN) pour vérifier l'intégrité de la couche EPAN avec ses deux substrats en aluminium. Aucun changement des caractéristiques électriques (décharges partielles), méca- niques (décollement de la couche EPAN) et thermiques (conductivité) n'a été détecté à la suite de 22 000 cycles d'endurance entre + 25°C et + 95°C et 168 cycles de choc entre + 105°C et - 40°C. Ces essais ont confirmé la pertinence d'un matériau (EPAN) dont le coefficient de dilatation linéaire est étroitement harmo- nisé avec celui de son substrat ; l'EPAN est donc consi- déré comme un matériau-clé pour l'isolation efficace de semi-conducteurs de puissance. Des matériaux similaires ont été développés, bien que non nécessairement disponibles sur le marché [réf. 2]. Le tableau 5 offre une comparaison entre la conductivité thermique et le niveau de charge de matériaux développés par un fabricant de résines thermodurcissables et les matériaux développés par AREVA T&D Technology Centre. Il y a néanmoins des différences significatives entre 1 EPAN Réf (2) HTCDough Ref (2) 1 Charge (%parpoids) 76,3 83,3 Charge(%parvolume) 52,4 50,9 63,5 62 K(W/Km) 1 2 1 1,8 1 6 1 4,2 1 Tableau 5. EPAN/HTC Dough avec [Réf. 2]. EPAN/HTC Dough et les matériaux décrits dans la réfé- rence 2 concernant les techniques de formulation, de pro- cédés de mélange, de coulée sous vide et aussi de techni- ques de mesure de la conductivité thermique. Les princi- pales différences sont résumées ci dessous : . Réf. (2) utilise des moules tournants pour minimiser la sédimentation des particules de la charge. . Les matériaux de la Réf. (2) sont usinés à partir de blocs et non pas directement après coulée sous vide avec électrodes intégrales pour la mesure de la conductivité thermique. Il est clair que les caractéristiques et la cohésion entre REE W6/7 Juin/juillet 2006 Repères L'ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR la charge inorganique et la matrice organique sont crucia- les pour de meilleures perfoni-iances thermiques. Un traite- ment de la charge, comme par exemple le silane, peut amé- liorer la cohésion entre la charge et la matrice (Réf. 1). La géométrie des particules de charge (paillette, sphère etc.) ainsi que leur taille et leur distribution sont des para- m mètres importants, qui peuvent changer énormément lae conductivité thermique d'un matériau. 7. Conclusions AREVA T&D Technology Centre a mis au point deux matériaux diélectriques à forte conductivité thermique. Ces matériaux jouent un rôle important dans les domaines de l'électronique de puissance et les machines tournantes. [3] H. ISHIDA, S. RIMDUSIT, " Very High Thermal Conductivity Obtained by Boron Nitride-Filled Polybenzoxazine " Thermochimica Acta, 320, ppl77-86, 1998. [41 R. BRAMMER., T KARLSSON, D. RUDOLFSSON, "Insulating Micatapes with Increased Thermal Conductivity " 7 "' BEAMA nternational Electrical nsulation Conference, Brighton, pp224-228, 1994. [5] C.P WONG, R.S. BOLLAMPALLY, " Thermal Conductivity, Elastic Modulus and Coefficient of Thermal Expansion of Polymer Composites Filled with Ceramic Particles for Electronic Packaging ", Journal of Applied Polymer Science, 74, pp3396-3403, 1999. Le premier est un matériau composite haute tension de forme laminaire réalisé à partir d'une pâte (HTC Dough) ayant une conductivité thermique de 6 W/K.m pour une épaisseur de 1 mm. Il est appliqué dans l'isolement de masse des pôles bobinés des machines tournantes. Il n'existe pas actuellement de matériaux isolants ayant une telle conductivité thennique pour ce genre d'application. Le second est un matériau composite haute tension coulé sous vide (EPAN) ayant une conductivité thermique de 2 W/Km pour une épaisseur de 1 mm. Ce dernier est utilisé commercialement depuis plusieurs années dans l'isolation des semi-conducteurs de puissance de grands convertisseurs (25 MW) de propulsion marine. Références [1] Y XU, D.D.L. CHUNG, C. MROZ, " Thermally Conducting Aluminium Nitride Polymer-Matrix Composites ", Compo- sites Part A Applied Science and Manufacturing, 32, pp1749-1757, 2001. [2] P BUJARD, JP ANSERMET., " Thermally Conductive Alu- minium Nitride-Filled Epoxy' ; 5 " IEEE SEMI-THERM'M Symposium, pp126-130, 1989. Les auteurs FabricePerrot, B.Eng (Hons), PhD, MIEE, C.Eng, Eurlng, né en 1969 en France, est Technology Consultant et Programme Manager pour HlghVoltage Consultancyet Electrical Materialsà AREVAT&DTechnologyCentre(Stafford,UK)et ausstAREVAT&D Expert.Après 5 ans avec EATechnologyLtd (Chester,UK)au sein du PowerTechnologyGroupet impliquédansdes projetsde recher- chesur ! es vanstances/parafoudres. iaférro-résonance,! e vieitiisse- ment des systèmes isolantsexternes hautetension et la détection des décharges partielles jusqu'à 132 kV, il a rejoint ALSTOM et éventuellement AREVA T&Det s'est intéressé ces six dernières annéesdans latechnologie,le développement et la caractérisation de systèmes composites diélectrique haute tension, les diélectri- ques hautetensionà forte conductivitéthermique, ladétection des déchargespartielleset les problèmes d'isolation des machinesali- mentées par des convertisseurs MLI. II est aussi membre du comité de EEcomité de l'IEE Midlands Power Group ainsi que Technical Chairman de la 10th International Conterence on Electrical Insuiation (INSUCON 2006). lan James,, B. Sc., Tech. (Hons), FIMJ, C.Eng, né en 1952 en Angleterre, est Technology Consultantà AREVA T&D Technology Centre Stafford, UK) et auss ! AHEVAT&DSeniorExpert. Il est titu- laire d'un Bachelorof Science Honours Degree de l'University of Sheffielden SciencesetTechnologiesdes Matériaux. Ila passéles trente dernières années avec GEC,GEC-ALSTHOM,ALSTOMet AREVAT&D dans la rechercheet le développement de systèmes diélectriques pour applicationsde puissance Il est aussi membre du comité technique de ElA (Electrical InsulationAssociation). REE W 6/7 Juiii/juillet 2006