Les économies d'énergie, l'amélioration de l'efficacité énergétique et la protection de l'environnement sont des thèmes omniprésents dans notre société. Malgré de nombreux efforts, la demande d'électricité devrait croître beaucoup plus rapidement, en comparaison avec d'autres sources d'énergie, au cours des trois prochaines décennies. Aujourd'hui, 40% de la consommation d'énergie correspond à de l'énergie électrique et cela passera à 60% d'ici 2040. D'un autre côté, la part de l'énergie électrique utilisant des dispositifs de l'électronique de puissance, par exemple dans les variateurs de vitesse, a énormément augmenté. Elle était de 40% en 2000 et se situait à environ 80% en 2015. L'électronique de puissance est la technologie clé pour contrôler le flux d'énergie électrique à partir d’une source jusqu’à une charge selon des exigences bien définies. De nombreux secteurs du marché électrique tels que les appareils domestiques et de bureau, le chauffage, la ventilation et la climatisation, la traction, l'aéronautique, l'automobile et les énergies renouvelables peuvent potentiellement bénéficier des applications des technologies de l'électronique de puissance. L’amélioration de ces systèmes pourrait permettre d’économiser plus de 50% des pertes d'énergie dans les équipements électroniques alimentés directement par le secteur ou par des sources de stockage d’énergie. Pour atteindre un tel objectif, répondant à une demande sociétale, un travail de recherche fondamental ainsi que des efforts de R&D concernent les : - Nouveaux concepts pour la conception de systèmes à base de composants silicium (Si) et pour la prochaine génération de composants de puissance haute tension à base de matériaux semiconducteurs grand gap (SiC, GaN, diamant), - Matériaux innovants (isolation électrique, conductivité thermique, passifs) pour l'intégration du système ou un fonctionnement en environnement sévère, - Nouvelles technologies d'interconnexion pour les systèmes à ultra-haute densité de puissance, - Réduction des coûts du système par la standardisation des modules de puissance, - Intégration du système fonctionnel (réduction des pertes, coûts, poids et taille, optimisation du refroidissement), - Augmentation des niveaux d’intégration (multifonctionnalité), - Conception zéro défaut et amélioration de la fiabilité des systèmes, - Modélisation et simulation multi-niveaux; analyse des contraintes et fiabilité L’augmentation des densités de puissance dans le domaine de la conversion d’énergie conduit aujourd’hui au développement de convertisseurs de puissance de plus en plus intégrés. Cette intégration nécessite un dimensionnement au plus juste de l’ensemble des éléments qui constituent les convertisseurs. Un des éléments endurant les contraintes les plus sévères est le module de puissance. Ce dernier permet d’environner le semi-conducteur (composant actif), pour assurer deux fonctions principales : - son interconnexion pour lui fournir le courant et la tension requis, - son isolation électrique de l’environnement et du système, A ces conditions, se rajoute le management thermique qui doit être le plus efficace possible. Mais la réduction des dimensions d'une part (e.g. dans les modules intégrés double face) et l’augmentation des calibres en tension des composants d'autre part (>3 kV avec l’émergence des composants à grand gap) se traduisent par des contraintes de plus en plus sévères sur les matériaux d’isolation. Les matériaux diélectriques, principalement polymères, présents dans les modules de puissance à différents niveaux de l’environnement des semi-conducteurs (passivation de surface et encapsulation de volume) seront à l’avenir soumis à des champs électriques et des températures plus importants. Ces augmentations pourraient dans l’état actuel des choses les conduire à un vieillissement électrique et/ou thermique prématuré comme la formation de charge d’espace, échauffements localisés, activité de décharges partielles, arborescences électriques, jusqu’à la rupture diélectrique pouvant remettre toute l’intégrité de la chaîne de conversion en jeu. C’est dans ce contexte que s’inscrivent mes travaux de recherche menés au LAPLACE de Toulouse sur l’isolation électrique depuis plus de 10 ans. Ils visent à comprendre les limites physiques actuelles des matériaux polymères soumis à de très fortes contraintes de champ électrique et de température afin de pouvoir concevoir la prochaine génération de matériaux isolants multifonctionnels grâce à des structurations innovantes à l’échelle nanométrique ou micrométrique. Les travaux que je mène devraient favoriser le développement de nouveaux systèmes électroniques plus intégrés et plus robustes de façon à répondre, sur les aspects d’isolation, aux besoins croissants en énergie électrique de notre société. Pour ce faire, je poursuis conjointement plusieurs axes de recherche : - Etude de phénomènes physiques dans les isolants fortement contraints, - Relation structure/propriétés diélectriques, - Nanostructuration de polymères pour l’amélioration de leurs propriétés diélectriques, - Structuration locale de polymères composites sous champ pour la multifonctionnalité, - Etude du vieillissement des isolants sous contraintes. Ma démarche scientifique s’appuie sur : - l’optimisation des procédés d’élaboration de ces matériaux (dépôt, recuit, nanochargement, électrophorèse/diélectrophorèse) - le développement d’une méthodologie de caractérisation fine des propriétés diélectriques des matériaux étudiés sous faible et fort champ en corrélation avec leur structure chimique, - une métrologie originale développée au laboratoire (détection de phénomènes pré-disruptifs par thermographie IR, mesures de densité de charge d’espace dans des couches minces...), - la modélisation physique du comportement des isolants (mécanismes de transport et de rupture), - l’étude des matériaux développés directement dans leur contexte applicatif (passivation de composants, encapsulation de modules de puissance). Mon approche est bidirectionnelle. Elle est tout d’abord de type « top-down » à travers l’observation et la compréhension de phénomènes fondamentaux de la physique des diélectriques visant à en identifier certaines de leurs limites à l’échelle macroscopique. Elle est également de type « bottom-up » à travers la construction locale de nouvelles fonctions dans les matériaux isolants à différentes échelles (nano, micro) répondant à de réels besoins applicatifs. Cette démarche menée durant ces dernières années m’a permis de développer des compétences et un savoir-faire au carrefour de plusieurs domaines scientifiques s’étendant des sciences de l’ingénieur à la physique des matériaux. Dans la suite, le bilan de mes activités de recherche sera ainsi ordonné en 3 grands thèmes : - Thème 1. Limites physiques des polymères thermostables pour l’isolation électrique haute tension et haute température - Thème 2. Structurations innovantes de polymères composites mieux adaptées aux nouvelles contraintes du Génie Electrique - Thème 3. Applications des isolants étudiés en électronique de puissance: quelques démonstrateurs pour la montée en tension... Après avoir rappelé brièvement le contexte scientifique et contractuel de chaque étude ainsi que les personnes impliquées, je présenterai les résultats marquants, les principales réalisations et quelles ont été les valorisations majeures respectives. Je terminerai ce manuscrit par les perspectives à moyen et long termes que je souhaite donner à mes activités de recherche.